一种钝后缘风力机翼型环量控制装置及方法

技术领域

本发明涉及主动流动控制技术领域，特别涉及一种钝后缘风力机翼型环量控制装置及方法。

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。

发明内容

本发明实施例提供了一种钝后缘风力机翼型环量控制装置及方法，用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。

优选地，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。

优选地，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％。

优选地，所述喷口的高度为所述翼型弦长的0.2％。

本发明还提供了一种钝后缘风力机翼型环量控制方法，所述方法包括：

在做好前期安装和调试工作后，当风速适合风力机发电时，此时风力机开始常规工作，喷口处于关闭状态，其中所述喷口设置在风力机翼型的上翼面和后缘之间，所述风力机翼型为风力机叶片的剖面形状，所述喷口与开设在所述风力机叶片内部的射流通道连通，所述射流通道位于所述风力机叶片内部靠近所述上翼面和所述后缘的位置，且所述喷口朝向所述风力机翼型的后缘，所述射流通道一端为所述喷口，所述射流通道另一端通过安装在所述风力机叶片内部的管道与气压泵连通；

当所述风力机的常规工作状态稳定后，打开所述喷口和气压泵，调节所述气压泵的压力，使所述喷口处形成一个初始射流，对流场进行一个初步的控制；

当所述风力机的工作状态稳定后，通过安装在所述风力机叶片上的气压传感装置测出来流的迎角和速度，根据所述来流的迎角和速度计算相应的设定射流动量系数；

根据所述设定射流动量系数调节所述气压泵的压力大小；

通过所述喷口处的气压传感装置测出所述喷口处的气压和气流速度，计算实时射流动量系数并与所述设定射流动量系数比较，获得相应的比较结果；

将比较结果反馈给所述气压泵，如果所述实时射流动量系数小于所述设定射流动量系数，将所述气压泵的压力调大；反之，将所述气压泵的压力调小，直到所述喷口的所述实时射流动量系数与所述设定射流动量系数相同时停止测试、反馈和调节步骤，并保持该工作状态。

本发明公开了一种钝后缘风力机翼型环量控制装置及方法，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

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为具有本发明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；

图11为本发明实施例提供的一种钝后缘风力机翼型环量控制方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1、图2和图3，本发明提供了一种载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

$>y_1=y_0\pm \frac{1}{2}\delta {\left(\frac{x_1-x_t}{c-x_t}\right)}^n$>

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，其修形后的后缘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：

$>C_{\mu }=\frac{2{\mathrm{hw\rho }}_{JET}{U}_{JET}^2}{{\mathrm{cb\rho }}_{\infty }{U}_{\infty }^2}=\frac{\stackrel{·}{m}{U}_{JET}}{qS}$>

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。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种钝后缘风力机翼型环量控制方法，如图11所示，该方法包括：

步骤400，在做好前期安装和调试工作后，当风力发电厂达到相应的工作条件，即风速适合风力机发电时，此时风力机开始常规工作，即没有打开喷口。

步骤410，当风力机的常规工作状态稳定后，打开喷口和气压泵，调节气压泵的压力，使喷口处形成一个较弱的射流，即初始射流，对流场进行一个初步的控制。

步骤420，当步骤410中的工作状态稳定后，通过安装在风力机叶片上的气压传感装置测出来流的迎角和速度，根据来流的迎角和速度计算相应的设定射流动量系数。

步骤430，根据设定射流动量系数调节气压泵压力大小。

步骤440，通过喷口处的气压传感装置测出喷口处的气压和气流速度，计算实时射流动量系数并与设定射流动量系数比较，获得相应的比较结果。

步骤450，将比较结果反馈给气压泵。如果实时射流动量系数小于设定射流动量系数，将气压泵压力调大；反之，将气压泵压力调小。

步骤460，重复步骤440到步骤450，直到喷口的实时射流动量系数与设定射流动量系数相同时停止一系列测试、反馈和调节步骤，并保持该工作状态。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。