一種鈍后緣風力機翼型環量控制裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種鈍后緣風力機翼型環量控制裝置及方法，涉及主動流動控制技術領域。所述控制裝置利用流動控制方法，結合柯恩達效應的相關原理，將風力機翼型進行修形和改型處理；并將射流裝置載到風力機葉片內部，通過噴口與外部大氣連通；噴口連接射流通道，射流通道通過管道連接氣壓泵。由改型后的翼型所構成的載有環量控制裝置的風力機葉片，在內部射流裝置的作用下產生后緣射流。在柯恩達效應的影響下，射流將附著后緣曲面流動，進一步影響整個流場，增加翼型繞流環量，達到增升的目的，從而提高風力機葉片的氣動效率。
【專利說明】
-種鐘后緣風力機翼型環量控制裝置及方法
技術領域
[0001] 本發明設及主動流動控制技術領域，特別設及一種純后緣風力機翼型環量控制裝 置及方法。
【背景技術】
[0002] 70年代初期，由于能源緊缺，能源問題越來越受世界各國重視。于是清潔、可再生 能源就成了能源領域的研究熱點之一。其中風能作為無污染、可再生的自然能源又重新引 起了人們的重視。
[0003] 經過幾十年的發展，風力機的規模越來越大，風力機葉片長度也越來越大，大型風 力機葉片的長度甚至達到50多米。當葉片長度過大時，葉片的結構強度就會成為一個非常 重要的問題。近年來為了增強葉片結構強度和氣動特性，有學者提出了純后緣風力機翼型 的概念。運類翼型的厚度在弦長25%-40%處達到最大，大約為弦長的30%，而且后緣厚度 會達到弦長的10%甚至20%。運類翼型具有W下特點：（1)結構強度高，易于加工制造；（2) 表面污染敏感度低，即灰塵、雨水W及鳥類糞便等對其氣動特性影響較小；（3)氣動特性好， 最大升力系數大，失速迎角大。
[0004] 但與此同時，此類純后緣翼型會在后緣處產生脫體滿，后緣厚度越大，脫體滿強度 也就越大，翼型阻力系數就會變大。
[0005] 由于翼型厚度的增大，帶來的升力系數的提升相對有限，而阻力系數的增加使得 其總體氣動效率不理想。于是有很多相關研究人員開始使用被動控制的方法對運類純后緣 的風力機翼型進行優化，例如在翼型后緣加隔板來減弱脫體滿的強度等。但運類被動控制 的方法的效果并不明顯，而且運種控制方法是預先設定的，在非設計工況下無法達到最佳 控制效果。
【發明內容】
[0006] 本發明實施例提供了一種純后緣風力機翼型環量控制裝置及方法，用W解決現有 技術中存在的問題。
[0007] -種純后緣風力機翼型環量控制裝置，所述控制裝置包括氣壓累、管道、射流通道 和噴口，所述控制裝置設置在風力機葉片上，所述風力機翼型為所述風力機葉片的剖面形 狀，所述風力機翼型具有相對的上翼面和下翼面，W及相對的前緣和后緣，所述管道安裝在 所述風力機葉片內部，所述射流通道開設在所述風力機葉片內部靠近所述上翼面和所述后 緣的位置，所述射流通道一端與所述管道的一端連通，所述射流通道的另一端為所述噴口， 所述噴口設置在所述上翼面與所述后緣之間，且所述噴口朝向所述后緣，所述管道的另一 端與所述氣壓累連通，所述后緣為一段圓弧。
[000引優選地，所述后緣的厚度為所述風力機翼型的翼型弦長的10%，所述翼型弦長為 所述前緣和后緣之間的距離。
[0009]優選地，所述后緣與所述上翼面的距離為所述翼型弦長的0.5%，所述后緣與所述 下翼面的距離也為所述翼型弦長的0.5%。
[0010] 優選地，所述噴口的高度為所述翼型弦長的0.2%。
[0011] 本發明還提供了一種純后緣風力機翼型環量控制方法，所述方法包括：
[0012] 在做好前期安裝和調試工作后，當風速適合風力機發電時，此時風力機開始常規 工作，噴口處于關閉狀態，其中所述噴口設置在風力機翼型的上翼面和后緣之間，所述風力 機翼型為風力機葉片的剖面形狀，所述噴口與開設在所述風力機葉片內部的射流通道連 通，所述射流通道位于所述風力機葉片內部靠近所述上翼面和所述后緣的位置，且所述噴 口朝向所述風力機翼型的后緣，所述射流通道一端為所述噴口，所述射流通道另一端通過 安裝在所述風力機葉片內部的管道與氣壓累連通；
[0013] 當所述風力機的常規工作狀態穩定后，打開所述噴口和氣壓累，調節所述氣壓累 的壓力，使所述噴口處形成一個初始射流，對流場進行一個初步的控制；
[0014] 當所述風力機的工作狀態穩定后，通過安裝在所述風力機葉片上的氣壓傳感裝置 測出來流的迎角和速度，根據所述來流的迎角和速度計算相應的設定射流動量系數；
[0015] 根據所述設定射流動量系數調節所述氣壓累的壓力大小；
[0016] 通過所述噴口處的氣壓傳感裝置測出所述噴口處的氣壓和氣流速度，計算實時射 流動量系數并與所述設定射流動量系數比較，獲得相應的比較結果；
[0017] 將比較結果反饋給所述氣壓累，如果所述實時射流動量系數小于所述設定射流動 量系數，將所述氣壓累的壓力調大;反之，將所述氣壓累的壓力調小，直到所述噴口的所述 實時射流動量系數與所述設定射流動量系數相同時停止測試、反饋和調節步驟，并保持該 工作狀態。
[0018] 本發明公開了一種純后緣風力機翼型環量控制裝置及方法，所述控制裝置利用流 動控制方法，結合柯恩達效應的相關原理，將風力機翼型進行修形和改型處理;并將射流裝 置載到風力機葉片內部，通過噴口與外部大氣連通;噴口連接射流通道，射流通道通過管道 連接氣壓累。由改型后的翼型所構成的載有環量控制裝置的風力機葉片，在內部射流裝置 的作用下產生后緣射流。在柯恩達效應的影響下，射流將附著后緣曲面流動，進一步影響整 個流場，增加翼型繞流環量，達到增升的目的，從而提高風力機葉片的氣動效率。
【附圖說明】
[0019] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可W 根據運些附圖獲得其他的附圖。
[0020] 圖1為具有本發明實施例提供的控制裝置的風力機葉片的俯視結構圖；
[0021] 圖2為圖1中風力機葉片的側視圖；
[0022] 圖3為圖2中風力機葉片沿A-A方向的剖面結構圖；
[0023] 圖4為DU97-W-300的翼型結構示意圖；
[0024] 圖5為對圖4中翼型進行修形后得到的DU97-W-300-fla憂ack翼型結構示意圖；
[0025] 圖6為對圖5中翼型進行改型時的細節圖；
[0026] 圖7為圖6中翼型改型后的翼型結構示意圖；
[0027]圖8為圖4中翼型在迎角為10°時的流場圖；
[00%]圖9為圖5中翼型在迎角為10°時的流場圖；
[0029] 圖10為圖7中翼型在迎角為10°時的流場圖；
[0030] 圖11為本發明實施例提供的一種純后緣風力機翼型環量控制方法的步驟流程圖。
【具體實施方式】
[0031] 下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0032] 參照圖1、圖2和圖3,本發明提供了一種載有翼型環量控制裝置的風力機葉片100， 所述風力機葉片100包括葉片根部110、葉片主體112W及連接所述葉片根部110和葉片主體 112的葉片過渡段111，所述風力機葉片100的剖面形狀為所述風力機葉片100的翼型120,所 述翼型120包括上翼面121、下翼面122、前緣123和后緣124,所述上翼面121和下翼面122相 對設置，所述前緣123和后緣124相對設置，且在所述風力機葉片100內部靠近所述上翼面 121和所述后緣124的位置開設有射流通道125,所述射流通道125通過設置在所述葉片主體 112內部的管道與氣壓累連通，所述射流通道125、管道和氣壓累組成了本發明中的翼型環 量控制裝置。
[0033] 所述翼型120為圖4所示的原始翼型200經過修形和改形后獲得的。所述原始翼型 200為2003年荷蘭代爾夫特理工大學風力機專用翼型風桐實驗模型中的DU97-W-300翼型， 其原型后緣210的厚度較小。
[0034] 對所述原始翼型200的修形按照W下公式進行：
[0035]
[0036]
[0037] 其中，XI、yi為經過修形得到的修形翼型300在如圖5所示的坐標系OiXiYi中的坐標， xo、yo為所述原始翼型200在如圖4所示的坐標系OoXoYo中的坐標，S為修形前后翼型后緣厚度 的增加量，C為翼型弦長，xt為修形起始位置的橫坐標，n為修形指數參數。所述修形翼型 300，即DU97-W-300-f latback是一個純后緣翼型，如圖5所示，其修形后的后緣330的厚度為 翼型弦長C的10%。式中的"±"為區分修形后的上翼面310和修形后的下翼面320,當計算所 述修形后的上翼面310的坐標時使用V'，計算修形后的下翼面320的坐標時使用。
[0038] 參照圖6,為對所述修形翼型300進行改型時的細節圖，改型的方法為：
[0039] (1)在所述修形后的后緣330附近分別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的上方畫兩條與所述修形后的上翼面310和修形后的下翼面320分別平行 且距離均為翼型弦長的0.5%的曲線m、n(如圖6所示）；
[0040] (2)在曲線m，n之間畫出同時與m，nW及所述修形后的后緣330相切的圓，并確定圓 屯、0 W及曲線m、n、修形后的后緣330與圓的切點E、F、P;
[0041] (3)過E、F分別作所述修形后的上翼面310和修形后的下翼面320的垂線并確定垂 足C、D，連接 CE、DF，可知 CE = DF = 0.5%c;
[0042] (4)取弧線EPF為后緣曲面，并在線段CE上從E開始取一段長度為翼型弦長的0.2% ~0.3%的線段作為噴口的高度，優選為翼型弦長的0.2%，如圖6中線段EH所示；
[0043] (5)在噴口處向所述修形翼型300內部開設所述射流通道125,如圖7所示。
[0044] 改型后獲得的所述翼型120如圖7所示，所述弧線EPF構成的后緣曲面即為所述后 緣124,所述上翼面121后端與所述后緣124之間的空隙即為所述噴口 126,可見，所述噴口 126與所述后緣124的表面相垂直。
[0045] 其中所述射流通道125通過所述管道連接所述氣壓累。由于所述氣壓累給所述管 道加壓，使所述管道內氣壓大于外界大氣壓，于是其中的氣體就會經所述射流通道125從所 述噴口 126噴出。由于所述噴口 126很窄，當所述管道內氣壓較大時，氣體通過所述噴口 126 的速度會很大，從而形成高速射流。射流的強弱可W用射流動量系數來表示，該系數的值越 大表示射流強度越大。所述射流動量系數是一個無量綱的系數，其物理意義為所述噴口 126 處氣體的平均動量與翼型前方自由來流的動量之比，計算公式如下：
[0046]
[0047] 其中：a為射流動量系數，h為所述噴口 126的高度，W為所述噴口 126沿葉片徑向的 長度，PJET為所述噴口 126處氣體的密度，UjET為所述噴口 126處氣體的速度，b為所述葉片徑 向的長度，為自由來流的密度，Uc?為自由來流的速度，油為質量流率，q為來流動壓，S為參 考面積。高速射流從所述噴口 126噴出之后，由于柯恩達效應，射流將附著后緣曲面流動，從 而帶動周圍氣體跟隨射流流動，使外圍流場發生變化，翼型繞流環量增大，升力系數也隨之 增大。由于所述后緣124為曲面，所述后緣124后方的脫體滿強度將會減弱。再加上射流的作 用，脫體滿會被射流吹散，其強度進一步減弱。此時所述翼型120的壓差阻力與普通純后緣 翼型相比大大減少，因此阻力系數也隨之減小。而且射流也會產生相應的反推力，可W抵消 一部分阻力。同時主動控制增加了風力機葉片工作的穩定性和可控性，有利于風力發電廠 并網的相關工作。
[0048] 根據圖4、圖5和圖7中各翼型的數值模擬結果，如圖8、圖9和圖10所示，在自由來流 迎角為10°的情況下:所述原始翼型200(即DU97-W-300)的升力系數為1.4426,阻力系數為 0.0244;所述修形翼型300 (即DU97-W-300-f latback)的升力系數為1.6065，阻力系數為 0.0458;所述翼型120,在射流動量系數為0.035時的升力系數為2.7756,阻力系數為 0.0194。
[0049] 圖8、圖9和圖10中前緣駐點S的位置可W間接地反映出各翼型繞流環量的大小，即 駐點位置越靠后環量越大，環量的大小進一步反映翼型升力系數的大小，即環量越大翼型 升力系數越大。
[0050] 所述原始翼型200的在所述原型后緣210附近出現分離氣泡，所述原型后緣210后 方有脫體滿出現。修形后，由于所述修形后的后緣330厚度變大，后緣分離氣泡消失。但所述 修形后的后緣330后方的脫體滿強度變大，雖然增大所述修形后的后緣330的厚度帶來了升 力的提升，但是由于脫體滿的強度變大，阻力從0.0244增大到0.0458。對于改型后得到的所 述翼型120,只需很小的能量輸入，使所述噴口 126形成射流，從而改變翼型繞流，增加環量， 吹散脫體滿，使升力系數增大，達到所述原始翼型200的1.93倍，也是所述修形翼型300的 1.73倍；同時使阻力系數減小，達到所述原始翼型200的79.3%，也是所述修形翼型300的 42.3%。
[0051] 可W看出射流對升力系數的提升作用十分明顯。由本發明所提出的具有所述翼型 環量控制裝置的風力機葉片的氣動效率比普通的風力機葉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W在不同的工況下，通過調節所述管道中氣壓大 小，使風力機葉片達到最佳的工作狀態。
[0052] 基于同一發明構思，本發明還提供了一種純后緣風力機翼型環量控制方法，如圖 11所示，該方法包括：
[0053] 步驟400,在做好前期安裝和調試工作后，當風力發電廠達到相應的工作條件，即 風速適合風力機發電時，此時風力機開始常規工作，即沒有打開噴口。
[0054] 步驟410，當風力機的常規工作狀態穩定后，打開噴口和氣壓累，調節氣壓累的壓 力，使噴口處形成一個較弱的射流，即初始射流，對流場進行一個初步的控制。
[0055] 步驟420,當步驟410中的工作狀態穩定后，通過安裝在風力機葉片上的氣壓傳感 裝置測出來流的迎角和速度，根據來流的迎角和速度計算相應的設定射流動量系數。
[0056] 步驟430,根據設定射流動量系數調節氣壓累壓力大小。
[0057] 步驟440，通過噴口處的氣壓傳感裝置測出噴口處的氣壓和氣流速度，計算實時射 流動量系數并與設定射流動量系數比較，獲得相應的比較結果。
[0058] 步驟450,將比較結果反饋給氣壓累。如果實時射流動量系數小于設定射流動量系 數，將氣壓累壓力調大;反之，將氣壓累壓力調小。
[0059] 步驟460，重復步驟440到步驟450，直到噴口的實時射流動量系數與設定射流動量 系數相同時停止一系列測試、反饋和調節步驟，并保持該工作狀態。
[0060] 盡管已描述了本發明的優選實施例，但本領域內的技術人員一旦得知了基本創造 性概念，則可對運些實施例作出另外的變更和修改。所W，所附權利要求意欲解釋為包括優 選實施例W及落入本發明范圍的所有變更和修改。
[0061] 顯然，本領域的技術人員可W對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精 神和范圍。運樣，倘若本發明的運些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍 之內，則本發明也意圖包含運些改動和變型在內。
【主權項】
1. 一種鈍后緣風力機翼型環量控制裝置，其特征在于，所述控制裝置包括氣壓栗、管 道、射流通道和噴口，所述控制裝置設置在風力機葉片上，所述風力機翼型為所述風力機葉 片的剖面形狀，所述風力機翼型具有相對的上翼面和下翼面，以及相對的前緣和后緣，所述 管道安裝在所述風力機葉片內部，所述射流通道開設在所述風力機葉片內部靠近所述上翼 面和所述后緣的位置，所述射流通道一端與所述管道的一端連通，所述射流通道的另一端 為所述噴口，所述噴口設置在所述上翼面與所述后緣之間，且所述噴口朝向所述后緣，所述 管道的另一端與所述氣壓栗連通，所述后緣為一段圓弧。2. 如權利要求1所述的控制裝置，其特征在于，所述后緣的厚度為所述風力機翼型的翼 型弦長的10%，所述翼型弦長為所述前緣和后緣之間的距離。3. 如權利要求2所述的控制裝置，其特征在于，所述后緣與所述上翼面的距離為所述翼 型弦長的0.5%，所述后緣與所述下翼面的距離也為所述翼型弦長的0.5%。4. 如權利要求2所述的控制裝置，其特征在于，所述噴口的高度為所述翼型弦長的 0.2% ~0.3%〇5. -種鈍后緣風力機翼型環量控制方法，其特征在于，所述方法包括： 在做好前期安裝和調試工作后，當風速適合風力機發電時，此時風力機開始常規工作， 噴口處于關閉狀態，其中所述噴口設置在風力機翼型的上翼面和后緣之間，所述風力機翼 型為風力機葉片的剖面形狀，所述噴口與開設在所述風力機葉片內部的射流通道連通，所 述射流通道位于所述風力機葉片內部靠近所述上翼面和所述后緣的位置，且所述噴口朝向 所述風力機翼型的后緣，所述射流通道一端為所述噴口，所述射流通道另一端通過安裝在 所述風力機葉片內部的管道與氣壓栗連通； 當所述風力機的常規工作狀態穩定后，打開所述噴口和氣壓栗，調節所述氣壓栗的壓 力，使所述噴口處形成一個初始射流，對流場進行一個初步的控制； 當所述風力機的工作狀態穩定后，通過安裝在所述風力機葉片上的氣壓傳感裝置測出 來流的迎角和速度，根據所述來流的迎角和速度計算相應的設定射流動量系數； 根據所述設定射流動量系數調節所述氣壓栗的壓力大小； 通過所述噴口處的氣壓傳感裝置測出所述噴口處的氣壓和氣流速度，計算實時射流動 量系數并與所述設定射流動量系數比較，獲得相應的比較結果； 將比較結果反饋給所述氣壓栗，如果所述實時射流動量系數小于所述設定射流動量系 數，將所述氣壓栗的壓力調大;反之，將所述氣壓栗的壓力調小，直到所述噴口的所述實時 射流動量系數與所述設定射流動量系數相同時停止測試、反饋和調節步驟，并保持該工作 狀態。
【文檔編號】F03D1/06GK106050566SQ201610551249
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月13日
【發明人】許和勇, 喬晨亮, 楊慧強, 邢世龍, 葉正寅
【申請人】西北工業大學