CN205779470U - 一种钝后缘风力机翼型环量控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种钝后缘风力机翼型环量控制装置，涉及主动流动控制技术领域。所述控制装置利用流动控制方法，结合柯恩达效应的相关原理，将风力机翼型进行修形和改型处理；并将射流装置载到风力机叶片内部，通过喷口与外部大气连通；喷口连接射流通道，射流通道通过管道连接气压泵。由改型后的翼型所构成的载有环量控制装置的风力机叶片，在内部射流装置的作用下产生后缘射流。在柯恩达效应的影响下，射流将附着后缘曲面流动，进一步影响整个流场，增加翼型绕流环量，达到增升的目的，从而提高风力机叶片的气动效率。

Description

一种钝后缘风力机翼型环量控制装置

技术领域

本实用新型涉及主动流动控制技术领域，特别是涉及一种钝后缘风力机翼型环量控制装置。

背景技术

70年代初期，由于能源紧缺，能源问题越来越受世界各国重视。于是清洁、可再生能源就成了能源领域的研究热点之一。其中风能作为无污染、可再生的自然能源又重新引起了人们的重视。

经过几十年的发展，风力机的规模越来越大，风力机叶片长度也越来越大，大型风力机叶片的长度甚至达到50多米。当叶片长度过大时，叶片的结构强度就会成为一个非常重要的问题。近年来为了增强叶片结构强度和气动特性，有学者提出了钝后缘风力机翼型的概念。这类翼型的厚度在弦长25％-40％处达到最大,大约为弦长的30％，而且后缘厚度会达到弦长的10％甚至20％。这类翼型具有以下特点：(1)结构强度高，易于加工制造；(2)表面污染敏感度低，即灰尘、雨水以及鸟类粪便等对其气动特性影响较小；(3)气动特性好，最大升力系数大，失速迎角大。

但与此同时，此类钝后缘翼型会在后缘处产生脱体涡，后缘厚度越大，脱体涡强度也就越大，翼型阻力系数就会变大。

由于翼型厚度的增大，带来的升力系数的提升相对有限，而阻力系数的增加使得其总体气动效率不理想。于是有很多相关研究人员开始使用被动控制的方法对这类钝后缘的风力机翼型进行优化，例如在翼型后缘加隔板来减弱脱体涡的强度等。但这类被动控制的方法的效果并不明显，而且这种控制方法是预先设定的，在非设计工况下无法达到最佳控制效果。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种钝后缘风力机翼型环量控制装置，可以解决现有技术中存在的问题。

一种钝后缘风力机翼型环量控制装置，所述控制装置包括气压泵、管道、射流通道和喷口，所述控制装置设置在风力机叶片上，所述风力机翼型为所述风力机叶片的剖面形状，所述风力机翼型具有相对的上翼面和下翼面，以及相对的前缘和后缘，所述管道安装在所述风力机叶片内部，所述射流通道开设在所述风力机叶片内部靠近所述上翼面和所述后缘的位置，所述射流通道一端与所述管道的一端连通，所述射流通道的另一端为所述喷口，所述喷口设置在所述上翼面与所述后缘之间，且所述喷口朝向所述后缘，所述管道的另一端与所述气压泵连通，所述后缘为一段圆弧。

较佳地，所述后缘的厚度为所述风力机翼型的翼型弦长的10％，所述翼型弦长为所述前缘和后缘之间的距离。

较佳地，所述后缘与所述上翼面的距离为所述翼型弦长的0.5％，所述后缘与所述下翼面的距离也为所述翼型弦长的0.5％。

较佳地，所述喷口的高度为所述翼型弦长的0.2％。

本实用新型实施例中一种钝后缘风力机翼型环量控制装置，所述控制装置利用流动控制方法，结合柯恩达效应的相关原理，将风力机翼型进行修形和改型处理；并将射流装置载到风力机叶片内部，通过喷口与外部大气连通；喷口连接射流通道，射流通道通过管道连接气压泵。由改型后的翼型所构成的载有环量控制装置的风力机叶片，在内部射流装置的作用下产生后缘射流。在柯恩达效应的影响下，射流将附着后缘曲面流动，进一步影响整个流场，增加翼型绕流环量，达到增升的目的，从而提高风力机叶片的气动效率。

附图说明

图1为具有本实用新型实施例提供的控制装置的风力机叶片的俯视结构图；

图2为图1中风力机叶片的侧视图；

图3为图2中风力机叶片沿A-A方向的剖面结构图；

图4为DU97-W-300的翼型结构示意图；

图5为对图4中翼型进行修形后得到的DU97-W-300-flatback翼型结构示意图；

图6为对图5中翼型进行改型时的细节图；

图7为图6中翼型改型后的翼型结构示意图；

图8为图4中翼型在迎角为10°时的流场图；

图9为图5中翼型在迎角为10°时的流场图；

图10为图7中翼型在迎角为10°时的流场图。

附图标记说明：

100-风力机叶片，110-叶片根部，111-叶片过渡段，112-叶片主体，120-翼型，121-上翼面，122-下翼面，123-前缘，124-后缘，125-射流通道，126-喷口，200-原始翼型，210-原型后缘，300-修形翼型，310-修形后的上翼面，320-修形后的下翼面，330-修形后的后缘。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

参照图1、图2和图3，本发明提供了一种具有翼型环量控制装置的风力机叶片100，所述风力机叶片100包括叶片根部110、叶片主体112以及连接所述叶片根部110和叶片主体112的叶片过渡段111，所述风力机叶片100的剖面形状为所述风力机叶片100的翼型120，所述翼型120包括上翼面121、下翼面122、前缘123和后缘124，所述上翼面121和下翼面122相对设置，所述前缘123和后缘124相对设置，且在所述风力机叶片100内部靠近所述上翼面121和所述后缘124的位置开设有射流通道125，所述射流通道125通过设置在所述叶片主体112内部的管道与气压泵连通，所述射流通道125、管道和气压泵组成了本发明中的翼型环量控制装置。

所述翼型120为图4所示的原始翼型200经过修形和改形后获得的。所述原始翼型200为2003年荷兰代尔夫特理工大学风力机专用翼型风洞实验模型中的DU97-W-300翼型，其原型后缘210的厚度较小。

对所述原始翼型200的修形按照以下公式进行：

x₁＝x₀

$y_1=y_0\±\frac{1}{2}\mathrm{\δ}{\left(\frac{x_1-x_t}{c-x_t}\right)}^n$

其中，x₁、y₁为经过修形得到的修形翼型300在如图5所示的坐标系O₁X₁Y₁中的坐标，x₀、y₀为所述原始翼型200在如图4所示的坐标系O₀X₀Y₀中的坐标，δ为修形前后翼型后缘厚度的增加量，c为翼型弦长，x_t为修形起始位置的横坐标，n为修形指数参数。所述修形翼型300，即DU97-W-300-flatback是一个钝后缘翼型，如图5所示，其修形后缘330的厚度为翼型弦长c的10％。式中的“±”为区分修形后的上翼面310和修形后的下翼面320，当计算所述修形后的上翼面310的坐标时使用“+”，计算修形后的下翼面320的坐标时使用“-”。

参照图6，为对所述修形翼型300进行改型时的细节图，改型的方法为：

(1)在所述修形后的后缘330附近分别在所述修形后的上翼面310的下方和所述修形后的下翼面320的上方画两条与所述修形后的上翼面310和修形后的下翼面320分别平行且距离均为翼型弦长的0.5％的曲线m、n(如图6所示)；

(2)在曲线m，n之间画出同时与m，n以及所述修形后的后缘330相切的圆，并确定圆心O以及曲线m、n、修形后的后缘330与圆的切点E、F、P；

(3)过E、F分别作所述修形后的上翼面310和修形后的下翼面320的垂线并确定垂足C、D，连接CE、DF，可知CE＝DF＝0.5％c；

(4)取弧线EPF为后缘曲面，并在线段CE上从E开始取一段长度为翼型弦长的0.2％～0.3％的线段作为喷口的高度，优选为翼型弦长的0.2％，如图6中线段EH所示；

(5)在喷口处向所述修形翼型300内部开设所述射流通道125，如图7所示。

改型后获得的所述翼型120如图7所示，所述弧线EPF构成的后缘曲面即为所述后缘124，所述上翼面121后端与所述后缘124之间的空隙即为所述喷口126，可见，所述喷口126与所述后缘124的表面相垂直。

其中所述射流通道125通过所述管道连接所述气压泵。由于所述气压泵给所述管道加压，使所述管道内气压大于外界大气压，于是其中的气体就会经所述射流通道125从所述喷口126喷出。由于所述喷口126很窄，当所述管道内气压较大时，气体通过所述喷口126的速度会很大，从而形成高速射流。射流的强弱可以用射流动量系数来表示，该系数的值越大表示射流强度越大。所述射流动量系数是一个无量纲的系数，其物理意义为所述喷口126处气体的平均动量与翼型前方自由来流的动量之比，计算公式如下：

$C_{\mathrm{\μ}}=\frac{2{\mathrm{hw\ρ}}_{JET}{U}_{JET}^2}{{\mathrm{cb\ρ}}_{\mathrm{\∞}}{U}_{\mathrm{\∞}}^2}=\frac{\stackrel{\·}{m}{U}_{JET}}{qS}$

其中：C_μ为射流动量系数，h为所述喷口126的高度，w为所述喷口126沿叶片径向的长度，ρ_JET为所述喷口126处气体的密度，U_JET为所述喷口126处气体的速度，b为所述叶片径向的长度，ρ_∞为自由来流的密度，U_∞为自由来流的速度，为质量流率，q为来流动压，S为参考面积。高速射流从所述喷口126喷出之后，由于柯恩达效应，射流将附着后缘曲面流动，从而带动周围气体跟随射流流动，使外围流场发生变化，翼型绕流环量增大，升力系数也随之增大。由于所述后缘124为曲面，所述后缘124后方的脱体涡强度将会减弱。再加上射流的作用，脱体涡会被射流吹散，其强度进一步减弱。此时所述翼型120的压差阻力与普通钝后缘翼型相比大大减少，因此阻力系数也随之减小。而且射流也会产生相应的反推力，可以抵消一部分阻力。同时主动控制增加了风力机叶片工作的稳定性和可控性，有利于风力发电厂并网的相关工作。

根据图4、图5和图7中各翼型的数值模拟结果，如图8、图9和图10所示，在自由来流迎角为10°的情况下：所述原始翼型200(即DU97-W-300)的升力系数为1.4426，阻力系数为0.0244；所述修形翼型300(即DU97-W-300-flatback)的升力系数为1.6065，阻力系数为0.0458；所述翼型120，在射流动量系数为0.035时的升力系数为2.7756，阻力系数为0.0194。

图8、图9和图10中前缘驻点S的位置可以间接地反映出各翼型绕流环量的大小，即驻点位置越靠后环量越大，环量的大小进一步反映翼型升力系数的大小，即环量越大翼型升力系数越大。

所述原始翼型200的在所述原型后缘210附近出现分离气泡，所述原型后缘210后方有脱体涡出现。修形后，由于所述修形后的后缘330厚度变大，后缘分离气泡消失。但所述修形后的后缘330后方的脱体涡强度变大，虽然增大所述修形后的后缘330的厚度带来了升力的提升，但是由于脱体涡的强度变大，阻力从0.0244增大到0.0458。对于改型后得到的所述翼型120，只需很小的能量输入，使所述喷口126形成射流，从而改变翼型绕流，增加环量，吹散脱体涡，使升力系数增大，达到所述原始翼型200的1.93倍，也是所述修形翼型300的1.73倍；同时使阻力系数减小，达到所述原始翼型200的79.3％，也是所述修形翼型300的42.3％。

可以看出射流对升力系数的提升作用十分明显。由本发明所提出的具有所述翼型环量控制装置的风力机叶片的气动效率比普通的风力机叶片有很大程度的提高。而且，由于射流消耗的能量小，可控性好，因此可以在不同的工况下，通过调节所述管道中气压大小，使风力机叶片达到最佳的工作状态。

综上所述，本实用新型实施例中本实用新型实施例中一种钝后缘风力机翼型环量控制装置，利用流动控制方法，结合柯恩达效应的相关原理，将风力机翼型进行修形和改型处理；并将射流装置载到风力机叶片内部，通过喷口与外部大气连通；喷口连接射流通道，射流通道通过管道连接气压泵。由改型后的翼型所构成的载有环量控制装置的风力机叶片，在内部射流装置的作用下产生后缘射流。在柯恩达效应的影响下，射流将附着后缘曲面流动，进一步影响整个流场，增加翼型绕流环量，达到增升的目的，从而提高风力机叶片的气动效率。

以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施例，但是，本实用新型实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种钝后缘风力机翼型环量控制装置，其特征在于，所述控制装置包括气压泵、管道、射流通道和喷口，所述控制装置设置在风力机叶片上，所述风力机翼型为所述风力机叶片的剖面形状，所述风力机翼型具有相对的上翼面和下翼面，以及相对的前缘和后缘，所述管道安装在所述风力机叶片内部，所述射流通道开设在所述风力机叶片内部靠近所述上翼面和所述后缘的位置，所述射流通道一端与所述管道的一端连通，所述射流通道的另一端为所述喷口，所述喷口设置在所述上翼面与所述后缘之间，且所述喷口朝向所述后缘，所述管道的另一端与所述气压泵连通，所述后缘为一段圆弧。

2.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述后缘的厚度为所述风力机翼型的翼型弦长的10％，所述翼型弦长为所述前缘和后缘之间的距离。

3.如权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述后缘与所述上翼面的距离为所述翼型弦长的0.5％，所述后缘与所述下翼面的距离也为所述翼型弦长的0.5％。

4.如权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述喷口的长度为所述翼型弦长的0.2％～0.3％。