CN116292073A - 风力机叶片气动降载的方法 - Google Patents

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徐浩然
王国军
余海洋
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Abstract

本申请实施例提供一种风力机叶片气动降载的方法。该方法包括：在风力机叶片翼型前缘附近安装扰动元；以及通过调整扰动元的安装位置和/或尺度来控制翼型在负攻角失速区的升力系数，以使得翼型在负攻角失速区具有可降载的特性。本申请能够使得翼型在负攻角失速区具有可降载的特性。

Description

风力机叶片气动降载的方法
技术领域
本申请实施例涉及风力机叶片技术领域，尤其涉及一种风力机叶片气动降载的方法。
背景技术
在风力发电机组载荷仿真时发现，机组载荷对叶片翼型负攻角失速区的升力系数较敏感。如何使风力机翼型在负攻角失速区具有可降载的目标气动特性，同时不改变翼型正常工作攻角范围内的气动特性是关键技术问题。
目前，有效改变翼型负攻角失速区升力系数通常采用的方法是重新设计全新的翼型外形，通过对前缘和翼型整体形状的优化使翼型在负攻角失速区具有可降载的目标气动特性。然而，对于常规翼型，该方法所能达到的效果有限。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种风力机叶片气动降载的方法，能够使得翼型在负攻角失速区具有可降载的特性。
本申请实施例的一个方面提供一种风力机叶片气动降载的方法。所述方法包括：在风力机叶片翼型前缘附近安装扰动元；以及通过调整所述扰动元的安装位置和/或尺度来控制所述翼型在负攻角失速区的升力系数，以使得所述翼型在负攻角失速区具有可降载的特性。
进一步地，所述方法还包括：通过仿真确定所述翼型在设计攻角下的滞止点的弦向位置，其中，所述在风力机叶片翼型前缘附近安装扰动元包括：将所述扰动元安装于所述翼型在所述设计攻角下的滞止点的所述弦向位置处。
进一步地，调整所述扰动元的安装位置包括：在以所述设计攻角下的滞止点的所述弦向位置为中心的预定位置区间内来调整所述扰动元的安装位置。
进一步地，所述方法还包括：通过仿真确定所述翼型在所述设计攻角的正负预定攻角范围内的滞止点的弦向位置，其中，所述预定位置区间包括所述设计攻角的正负预定攻角范围内的滞止点的弦向位置所对应的区间。
进一步地，所述通过调整所述扰动元的安装位置和/或尺度来控制所述翼型在负攻角失速区的升力系数，以使得所述翼型在负攻角失速区具有可降载的特性包括：通过风洞测试来测量加所述扰动元后所述翼型的气动特性；及根据测量得到的所述翼型的气动特性来不断地迭代调整所述扰动元的安装位置和/或尺度直到所述翼型的气动特性满足预定约束条件。
进一步地，所述预定约束条件包括所述翼型在正攻角下的最大升力系数下降值要求及所述翼型在所述设计攻角附近的阻力系数增量值要求。
进一步地，所述翼型在正攻角下的最大升力系数下降值要求包括：所述翼型在正攻角下的最大升力系数下降值小于等于第一阈值；及所述翼型在所述设计攻角附近的阻力系数增量值要求包括：所述翼型在所述设计攻角附近的阻力系数增量值小于等于第二阈值，其中，所述第一阈值大于所述第二阈值。
进一步地，当所述正攻角下的最大升力系数下降值大于所述第一阈值时，则减小所述扰动元的尺度和/或将所述扰动元向大攻角滞止点位置的方向移动。
进一步地，所述方法还包括：在满足所述预定约束条件的情况下，选择确保所述翼型负攻角方向的最大升力系数绝对值减小量最大时所述扰动元所对应的安装位置和/或尺度来作为所述扰动元最终的安装位置和/或尺度。
进一步地，当所述翼型的气动特性满足所述预定约束条件并还具有余量空间时，则通过调整所述扰动元的尺度和/或安装位置来进一步增大所述翼型负攻角方向的最大升力系数绝对值减小量。
进一步地，所述通过调整所述扰动元的尺度和/或安装位置来进一步增大所述翼型负攻角方向的最大升力系数绝对值减小量包括：增大所述扰动元的尺度和/或将所述扰动元向小攻角滞止点位置的方向移动。
进一步地，所述扰动元包括微圆柱形扰动件或粗糙带扰动件。
本申请实施例的风力机叶片气动降载的方法通过在翼型前缘局部增加扰动元，能够使翼型在负攻角失速区具有可降载的目标气动特性，同时不改变翼型正常工作攻角范围内的气动特性。
本申请实施例的风力机叶片气动降载的方法可以应用于已有的各种翼型，而无需改变原有翼型的形状，具有广泛的适用性。
附图说明
图1为本申请一个实施例的风力机叶片气动降载的方法的流程图。
图2为本申请一个实施例的风力机叶片翼型和扰动元的示意图。
图3为本申请一个实施例的风力机叶片翼型在设计攻角下翼型表面压力系数分布示意图。
图4为本申请一个实施例的锯齿形粗糙带的示意图。
图5为本申请一个具体实施方式的在安装扰动元前后翼型升力系数随攻角的变化曲线示意图。
图6为本申请一个实施例的在安装扰动元前后翼型的极曲线示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施例并不代表与本申请相一致的所有实施例。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置的例子。
在本申请实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
本申请实施例提供了一种风力机叶片气动降载的方法，能够使翼型在负攻角失速区具有可降载的特性，同时不改变翼型正常工作攻角范围内的气动特性，包含升力系数、阻力系数、升阻比、最大升力系数等。
图1揭示了本申请一个实施例的风力机叶片气动降载的方法的流程图。如图1所示，本申请一个实施例的风力机叶片气动降载的方法可以包括步骤S1和步骤S2。
在步骤S1中，在风力机叶片翼型前缘附近安装扰动元。
图2揭示了本申请一个实施例的风力机叶片翼型10和扰动元20的示意图。如图2所示，风力机叶片翼型10具有压力面11和吸力面12、以及连接压力面11和吸力面12的前缘13和尾缘14。将扰动元20安装在翼型10前缘13附近。
图3揭示了本申请一个实施例的风力机叶片翼型10在设计攻角下翼型10表面压力系数分布示意图。如图3所示，横坐标
Figure BDA0004192881570000041
表示位置，以弦长c百分数的无量纲形式给出，纵坐标表示压力，其中，A点表示滞止点压力系数，B点表示滞止点弦向位置，线3.1表示顺压梯度区，线3.2表示逆压梯度区。
扰动元20应安装在压力面11滞止点15附近，通常位于前缘13和设计攻角下的滞止点15之间，且更偏向靠近滞止点15侧。并且，扰动元20应安装在较大的顺压梯度区内，从而使得在正常工作攻角范围内扰动元20不足以诱导强制转捩使升力系数减小，阻力系数增大。
扰动元20例如可以包括但不限于微圆柱形扰动件、粗糙带扰动件或其他形式的流动微扰动件。微圆柱形扰动件可以是翼型或叶片表面的局部凸起，也可以是前缘防护上适当位置的局部凸起。粗糙带扰动件可以包括具有一定厚度和宽度的带背胶的锯齿形(zigzag)粗糙带。图4揭示了本申请一个实施例的zigzag粗糙带的示意图。如图4所示，zigzag粗糙带具有宽度W和波长L，zigzag粗糙带的锯齿夹角为α，zigzag粗糙带的中心线为OO'。
返回参照图1，在步骤S2中，通过调整扰动元20的安装位置和/或尺度来控制翼型10在负攻角失速区的升力系数，以使得翼型10在负攻角失速区具有可降载的特性。
在一些实施例中，本申请的风力机叶片气动降载的方法还可以包括：通过仿真确定翼型10在设计攻角αdesign下的滞止点15的弦向位置xs,αdesign。其中，步骤S1的在风力机叶片翼型10前缘13附近安装扰动元20可以包括：将扰动元20安装于翼型10在设计攻角αdesign下的滞止点15的弦向位置xs,αdesign处。
在一些实施例中，步骤S2中的调整扰动元20的安装位置可以包括：在以设计攻角αdesign下的滞止点15的弦向位置xs,αdesign为中心的预定位置区间内来调整扰动元20的安装位置。
在一些实施例中，本申请的风力机叶片气动降载的方法还可以包括：通过仿真确定翼型10在设计攻角αdesign的正负预定攻角范围内的滞止点15的弦向位置。其中，预定位置区间包括设计攻角αdesign的正负预定攻角范围内的滞止点15的弦向位置所对应的区间。例如，正负预定攻角为±3°攻角，预定位置区间为±3°攻角范围内的滞止点15的弦向位置xs,αdesign+3、xs,αdesign-3所对应的区间。
在一些实施例中，步骤S2可以进一步包括：通过风洞测试来测量加扰动元20后翼型10的气动特性；及根据测量得到的翼型10的气动特性来不断地迭代调整扰动元20的安装位置和/或尺度，直到翼型10的气动特性满足预定约束条件。
扰动元20的尺度可以其特征尺寸(例如，微圆柱形扰动件的直径d、zigzag粗糙带的厚度h)除以翼型10弦长c的无量纲形式给出；扰动元20的安装位置也可以弦长百分数的无量纲形式给出。
在一个实施例中，预定约束条件可以包括翼型10在正攻角下的最大升力系数下降值要求及翼型10在设计攻角附近的阻力系数增量值要求。翼型10在正攻角下的最大升力系数下降值要求包括：翼型10在正攻角下的最大升力系数下降值小于等于第一阈值。翼型10在设计攻角附近的阻力系数增量值要求包括：翼型10在设计攻角附近的阻力系数增量值小于等于第二阈值。其中，第一阈值大于第二阈值。
例如，对于初选直径为0.5％c的微圆柱形扰动件，可以将其中心安装于弦向位置xs,αdesign处；或者，对于初选厚度为0.5％c的zigzag粗糙带，粗糙带宽度W≤0.25％c，安装时可以将粗糙带的中心线OO'位于弦向位置xs,αdesign处。
通过风洞测试分析扰动元20对翼型10气动特性的影响。例如，对于最大相对厚度为21％和24％的翼型10来说，加扰动元20后翼型10正攻角最大升力系数下降值需满足ΔClmax+≤0.05，从而最大限度减小原始翼型10失速裕度损失；设计攻角附近的阻力系数的增量值需满足ΔCd,αdesign±3≤0.002，从而确保翼型10设计攻角附近的气动效率不发生明显下降。
在一些实施例中，本申请的风力机叶片气动降载的方法还可以包括：在满足预定约束条件的情况下，选择确保翼型10负攻角方向的最大升力系数绝对值减小量最大max|ΔClmax-|时扰动元20所对应的安装位置和/或尺度来作为扰动元20最终的安装位置和/或尺度。
当加装扰动元20后翼型10的气动特性不满足上述预定约束条件，则可以通过调节扰动元20的尺度和/或安装位置来使翼型10的气动特性满足上述预定约束条件。具体地，当正攻角下的最大升力系数下降值大于第一阈值时，则可以减小扰动元20的尺度和/或可以将扰动元20向大攻角滞止点位置的方向移动。
例如，在一个实施例中，当正攻角下的最大升力系数下降值ΔClmax+>0.05时，可以保持扰动元20的安装位置不变，仅减小扰动元20的尺度，此时，当扰动元20是微圆柱形扰动件时，微圆柱形扰动件的直径可以按0.1％c步长减小来进行风洞测试；当扰动元20是粗糙带时，粗糙带的厚度可按0.1％c步长减小来进行风洞测试，直至满足上述预定约束条件。
在另一个实施例中，当正攻角下的最大升力系数下降值ΔClmax+>0.05时，还可以将扰动元20向大攻角滞止点位置的方向移动。例如，当扰动元20为微圆柱形扰动件时，可以保持扰动元20的直径不变，将扰动元20向压力面11尾缘14方向按0.1％c步长移动来进行风洞测试；当扰动元20为粗糙带时，可以保持粗糙带的宽度不变，将粗糙带的中心线OO'向压力面11尾缘14方向按0.1％c步长移动来进行风洞测试，直至满足上述预定约束条件。
在又一个实施例中，可以采用不同尺度扰动元20和不同安装位置的组合来测量翼型10的气动特性，得到对应的翼型10气动特性，从而筛选出符合上述预定约束条件下扰动元20所对应的尺度和安装位置。
以下表1给出了微圆柱形扰动件的尺度和安装位置的组合示例。
表1微圆柱形扰动件的尺度和安装位置的组合示例
Figure BDA0004192881570000071
以下表2给出了粗糙带扰动件的尺度和安装位置的组合示例。
表2粗糙带扰动件的尺度和安装位置的组合示例
Figure BDA0004192881570000072
在得到的较优的粗糙带安装方案中，粗糙带宽度所覆盖的区间可以作为微圆柱扰动件安装范围的参照，粗糙带的厚度可作为微圆柱扰动件直径的尺度参照。
在一些实施例中，对于最大相对厚度为21％、24％的翼型10来说，扰动元20的安装位置位于0.5％-0.75％c，c为翼型10弦长。在另一些实施例中，对于最大相对厚度为21％、24％的翼型10来说，扰动元20的厚度或直径为0.07％-0.075％c。当然，本申请的扰动元20的安装位置和尺度并不仅限于上述范围。
以上仅为本申请给出的一些示例，然而，本申请的扰动元20的尺度和安装位置并不局限于上面所述。事实上，本申请的扰动元20的尺度和安装位置可以根据实际风洞测试得到的翼型10的气动特性的结果来进行适当的调整。
在一些实施例中，当加装扰动元20后翼型10的气动特性在满足上述预定约束条件的情况下还具有余量空间时，则可以通过调整扰动元20的尺度和/或安装位置来进一步增大翼型10负攻角方向的最大升力系数绝对值减小量。具体地，可以增大扰动元20的尺度和/或将扰动元20向小攻角滞止点位置的方向移动。
图5和图6揭示了本申请一个具体实施方式的安装扰动元20后的翼型10气动特征的示意图，其中，图5揭示了本申请一个具体实施方式的在安装扰动元20前后翼型10升力系数随攻角的变化曲线示意图；图6揭示了本申请一个实施例的在安装扰动元20前后翼型10的极曲线示意图。在图5中，曲线5.1表示原翼型10升力系数随攻角的变化曲线；曲线5.2表示安装扰动元20后翼型10升力系数随攻角的变化曲线。从图5中的曲线5.1和曲线5.2可以看出，在安装扰动元20之后，可以明显降低叶片翼型10负攻角的升力系数，而对正攻角的升力系数并没有太大影响。在图6中，曲线6.1表示原翼型10的极曲线，曲线6.2表示安装扰动元20后翼型10的极曲线。从图6中的曲线6.1和曲线6.2可以看出，在安装扰动元20之后，翼型的低阻区范围减小，但正升力范围内的阻力系数未有明显变化。
本申请实施例的风力机叶片气动降载的方法通过在翼型10前缘13局部增加扰动元20，能够使翼型10在负攻角失速区具有可降载的目标气动特性，同时不改变翼型10正常工作攻角范围内的气动特性。
本申请实施例的风力机叶片气动降载的方法可以应用于已有的各种翼型，而无需改变原有翼型的形状，具有广泛的适用性。
以下给出了本申请的风力机叶片气动降载的方法的一个具体应用。根据本申请的风力机叶片气动降载的方法确定叶片中所用最大相对厚度小于等于30％标准厚度翼型加扰动元的尺度和安装位置，并测得相对应的翼型气动数据。将不同标准厚度翼型加扰动元后的气动数据替换原叶片模型中的翼型气动数据，建立新的叶片气弹模型用于评估扰动元对风力发电机组的叶根、叶身、塔顶、塔底等部位载荷的影响，全面评估扰动元的气动降载效果及对发电量的影响。根据风洞测试中测得的扰动元尺度和安装位置方案，将其按照实际叶片标准厚度翼型处的弦长尺度进行缩放，得到实际叶片尺度下的扰动元尺寸和安装位置；根据几何相似方法制造相对应的扰动元并安装在叶片上。测量安装有扰动元叶片机组的叶根、叶身、塔顶、塔底等部位的载荷，验证扰动元的降载效果及对发电量的影响。若扰动元不会使发电量有明显衰减且有明显的降载效果，则该扰动元的降载方案可批量应用。安装该扰动元的风力机叶片能够实现降载效果。
以上对本申请实施例所提供的风力机叶片气动降载的方法进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本申请实施例的风力机叶片气动降载的方法进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的核心思想，并不用以限制本申请。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请的精神和原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也均应落入本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (12)

1.一种风力机叶片气动降载的方法，其特征在于：包括：
在风力机叶片翼型前缘附近安装扰动元；以及
通过调整所述扰动元的安装位置和/或尺度来控制所述翼型在负攻角失速区的升力系数，以使得所述翼型在负攻角失速区具有可降载的特性。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括：
通过仿真确定所述翼型在设计攻角下的滞止点的弦向位置，
其中，所述在风力机叶片翼型前缘附近安装扰动元包括：将所述扰动元安装于所述翼型在所述设计攻角下的滞止点的所述弦向位置处。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：调整所述扰动元的安装位置包括：
在以所述设计攻角下的滞止点的所述弦向位置为中心的预定位置区间内来调整所述扰动元的安装位置。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：还包括：
通过仿真确定所述翼型在所述设计攻角的正负预定攻角范围内的滞止点的弦向位置，
其中，所述预定位置区间包括所述设计攻角的正负预定攻角范围内的滞止点的弦向位置所对应的区间。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于：所述通过调整所述扰动元的安装位置和/或尺度来控制所述翼型在负攻角失速区的升力系数，以使得所述翼型在负攻角失速区具有可降载的特性包括：
通过风洞测试来测量加所述扰动元后所述翼型的气动特性；及
根据测量得到的所述翼型的气动特性来不断地迭代调整所述扰动元的安装位置和/或尺度直到所述翼型的气动特性满足预定约束条件。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述预定约束条件包括所述翼型在正攻角下的最大升力系数下降值要求及所述翼型在所述设计攻角附近的阻力系数增量值要求。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述翼型在正攻角下的最大升力系数下降值要求包括：所述翼型在正攻角下的最大升力系数下降值小于等于第一阈值；及
所述翼型在所述设计攻角附近的阻力系数增量值要求包括：所述翼型在所述设计攻角附近的阻力系数增量值小于等于第二阈值，其中，所述第一阈值大于所述第二阈值。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：当所述正攻角下的最大升力系数下降值大于所述第一阈值时，则减小所述扰动元的尺度和/或将所述扰动元向大攻角滞止点位置的方向移动。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于：还包括：
在满足所述预定约束条件的情况下，选择确保所述翼型负攻角方向的最大升力系数绝对值减小量最大时所述扰动元所对应的安装位置和/或尺度来作为所述扰动元最终的安装位置和/或尺度。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：当所述翼型的气动特性满足所述预定约束条件并还具有余量空间时，则通过调整所述扰动元的尺度和/或安装位置来进一步增大所述翼型负攻角方向的最大升力系数绝对值减小量。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：所述通过调整所述扰动元的尺度和/或安装位置来进一步增大所述翼型负攻角方向的最大升力系数绝对值减小量包括：
增大所述扰动元的尺度和/或将所述扰动元向小攻角滞止点位置的方向移动。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述扰动元包括微圆柱形扰动件或粗糙带扰动件。
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