專利名稱：一種帶有劈縫結(jié)構(gòu)的水平軸流式風(fēng)力渦輪葉片的制作方法
一種帶有劈縫結(jié)構(gòu)的水平軸流式風(fēng)力渦輪葉片
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，水平軸風(fēng)力機(jī)非常流行，在全球風(fēng)能利用裝置中占有很大的比例。風(fēng)力機(jī)葉片是其中最重要的部件之一，合理的葉片結(jié)構(gòu)可以使得風(fēng)力機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率較高；如果不注重葉片的氣動(dòng)效率，HAffT(Horizontal Axis Wind Turbine,水平軸流式風(fēng)力潤(rùn)輪葉片)的整體性能就會(huì)受到限制。1919年物理學(xué)家Albert Betz指出對(duì)于理想的風(fēng)能利用裝置，能捕捉到的風(fēng)能不超過(guò)16/27(59. 3% )?，F(xiàn)代風(fēng)力渦輪對(duì)于風(fēng)能的利用已經(jīng)可以達(dá)到此理論極限的70 %到80 %。然而，隨著水平軸流式風(fēng)力機(jī)葉片周?chē)臍饬骱蛠?lái)流條件的不同，基于目前常用的風(fēng)力渦輪設(shè)計(jì)方法，其葉片或多或少都會(huì)遇到氣流提前分離的問(wèn)題。葉片旋轉(zhuǎn)使得在葉片外側(cè)部分氣流相對(duì)速度過(guò)大而容易產(chǎn)生流動(dòng)分離。一般來(lái)說(shuō)，低風(fēng)速下流動(dòng)分離會(huì)出現(xiàn)在葉根處，而當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，整個(gè)葉片表面都會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)分離。因此，十分有必要通過(guò)一定的方式延遲或者緩和流動(dòng)分離，以獲得更高性能的 HAffT葉片。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種帶有劈縫結(jié)構(gòu)的水平軸流式風(fēng)力渦輪葉片，以延遲葉片表面的流動(dòng)分離，從而提高HAWT葉片的整體性能；本發(fā)明主要添加從葉片壓力面到吸力面的窄通道，從而產(chǎn)生從壓力面到吸力面的二次流并利用此二次流來(lái)抑制流動(dòng)分離的發(fā)生。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案—種帶有劈縫結(jié)構(gòu)的水平軸流式風(fēng)力渦輪葉片，包括葉身，葉身具有壓力面和吸力面，所述葉身上設(shè)有若干從壓力面到吸力面的劈縫通道。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于所述劈縫通道連通壓力面和吸力面，用于產(chǎn)生二次流。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于所述葉身具有前緣邊和尾緣邊，劈縫通道在吸力面上的開(kāi)口與尾緣邊之間的距離大于劈縫通道在壓力面上的開(kāi)口與尾緣邊之間的距離。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于所述劈縫通道沿葉身徑向長(zhǎng)度方向設(shè)置。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于所述劈縫通道設(shè)置于葉片65%的徑向長(zhǎng)度內(nèi)。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于所述劈縫通道設(shè)置于葉身上葉型(16)至葉片65%的徑向長(zhǎng)度內(nèi)。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于葉身的若干劈縫通道的厚度相等。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于葉身的若干劈縫通道的厚度沿葉片徑向遞減。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明提出一種帶有劈縫結(jié)構(gòu)的水平軸流式風(fēng)力渦輪葉片結(jié)構(gòu)，在HAWT葉片上構(gòu)造從壓力面到吸力面的縱向劈縫，利用其產(chǎn)生的二次流來(lái)推遲吸力面上流動(dòng)分離的發(fā)生，從而提高葉片的出力。

圖I是帶有劈縫的葉片的上視圖，劈縫沿著葉片徑向方向布置。圖2在圖I的基礎(chǔ)上給出了劈縫的徑向位置，這些徑向位置將作為劈縫的產(chǎn)生準(zhǔn)則。圖3a是帶有兩個(gè)橫截面的劈縫葉片上視圖。圖3b是圖3a中的A-A截面示意圖。圖3c是圖3a中的B-B截面示意圖。圖4a和圖4b是一種葉片上典型的劈縫形式。圖5是一種典型劈縫結(jié)構(gòu)，這種裝置用來(lái)連接壓力面和吸力面并傳送二次流。圖6a_c是NREL葉片表面在來(lái)流速度為10. 3m/s時(shí)不同位置的壓力系數(shù)分布的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比(包含了四種不同節(jié)點(diǎn)數(shù)目的數(shù)值計(jì)算結(jié)果)；圖6&中1·/! = 30% ;圖6b中r/R = 63. 33% ;圖6c中r/R = 90% ;其中，r為所研究截面與葉根距離，R 為葉片徑向總長(zhǎng)度。圖7a_d是NREL葉片表面在來(lái)流速度為10. 3m/s時(shí)三維流線的數(shù)值計(jì)算結(jié)果；圖 7a 中 r/R = 27% ;圖 7b 中 r/R = 45% ;圖 7c 中 r/R = 63% ;圖 7d 中 r/R = 90% ;其中， r為所研究截面與葉根距離，R為葉片徑向總長(zhǎng)度。圖8a_b是傳統(tǒng)翼型與帶有劈縫結(jié)構(gòu)的S809翼型的升力系數(shù)與阻力系數(shù)對(duì)比圖。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。在某些工況下，風(fēng)力機(jī)葉片周?chē)赡艽嬖谝粋€(gè)很大的流動(dòng)分離區(qū)域。在大部分葉片中，葉根處葉型都做的很厚，葉頂?shù)娜~型會(huì)薄一些。本發(fā)明采用了以下十一種常用的HAWT 葉型來(lái)研究葉片的普通性能S809，NACA 63-415,NACA63-418,NACA 63-421,NACA 64-421， Ris0-Al-18, Ris0-Al-21, Ris0-Al-24,Ris0-Bl-36, FFA-w3-211, FFA-W3-301 等。從在風(fēng)洞中的靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，上述所有葉型在攻角為10°到18°之間都會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)分離。然而，通過(guò)對(duì)普通HAWT葉片的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)力機(jī)工作時(shí)葉片內(nèi)側(cè)部分的攻角在20°到25°之間變動(dòng)，而葉頂處攻角處于10°到16°之間。這說(shuō)明葉片的攻角已經(jīng)到了使得流動(dòng)產(chǎn)生分離的邊緣。很多的風(fēng)力機(jī)葉片在通常運(yùn)行工況下，分離點(diǎn)處于內(nèi)側(cè)部分大概在弦長(zhǎng)長(zhǎng)度的四分之一處，所以葉型弦長(zhǎng)的很大一部分都處于流動(dòng)分離區(qū)域。圖6-7展示了 NREL風(fēng)力機(jī)S809葉片上不同徑向位置處的劇烈分離現(xiàn)象。圖6中所示區(qū)域壓力系數(shù)發(fā)生較大的波動(dòng)，這表明此處產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的流動(dòng)分離，從不同位置的壓力系數(shù)分布可以看出，流動(dòng)分離均發(fā)生在離前緣邊很近的位置處；圖7給出了葉片不同位置的流線分布圖，可以更加直觀的看到，吸力面的大部分區(qū)域均發(fā)生了較為嚴(yán)重的流動(dòng)分離。本發(fā)明結(jié)構(gòu)的核心內(nèi)容是在葉片上增加一個(gè)從壓力面到吸力面的狹窄劈縫結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生二次流，并且在吸力面上利用這個(gè)二次流的能量，此結(jié)構(gòu)將會(huì)減少葉片上早期發(fā)生的流動(dòng)分離。
圖I中，12是連接左邊葉根和右邊葉身過(guò)渡段14的圓柱部分。過(guò)渡段14的葉型沿著徑向從圓形變成所設(shè)計(jì)的葉型16。葉身主要部分從葉型16開(kāi)始，邊界為前緣邊24，尾緣邊22和葉頂18。第一個(gè)劈縫位于dl處，即從葉型16處算起10-15%的葉型16弦長(zhǎng)處。 其他劈縫在葉片上沿著徑向分布于不同位置。每一個(gè)劈縫的長(zhǎng)度(Lin或Lmid)取決于其所在的位置是在內(nèi)側(cè)部分(從葉根算起45%的徑向長(zhǎng)度處)還是在中間部分(從葉根算起 45%到65%的徑向長(zhǎng)度處)。最后的一個(gè)劈縫位于d2處，與葉頂18的距離接近葉片直徑的65%。外側(cè)部分即為沒(méi)有劈縫的傳統(tǒng)翼型。圖2中，考慮到葉片不同部分的攻角不同，將葉片沿徑向分為幾個(gè)不同的部分，每一部分的編號(hào)為i，i =0，1，2…N，N為自然數(shù)?？紤]研究上的精確性，至少要將葉片中帶有劈縫的區(qū)域分成十個(gè)部分。徑向方向位于m-Ι和m之間的部分，稱之為m。不同部分的徑向長(zhǎng)度被定義為ARm，在左邊面和右邊面中間位置的弦長(zhǎng)定義為平均弦長(zhǎng)Cm，并且，任何部位中間部分的弦長(zhǎng)都定義為Cm。在內(nèi)側(cè)部分(葉根Root < Rffl < O. 45R，即與葉根距離小于O. 45R的范圍內(nèi)，R為葉片徑向總長(zhǎng)度)，劈縫長(zhǎng)度應(yīng)該為ARm的65-80%。這個(gè)范圍在中間部分(O. 45R < Rm < O. 65R，即與葉根距離大于O. 45R并且小于O. 65R的范圍內(nèi))建議為 45-65% ；圖3a給出了葉片兩個(gè)典型截面的位置，一個(gè)與葉型(A-A部分)平行，一個(gè)與分隔部分(B-B部分)平行。圖3b給出了圖3a中A-A部分的葉型。葉型是一個(gè)草圖，帶有吸力面51、壓力面 52、前緣邊24和尾緣邊22。劈縫通道53從吸力面到壓力面。劈縫寬度t為其所在m部分當(dāng)?shù)仄骄议L(zhǎng)Cm的O. 8%-2%，其厚度可以是個(gè)常數(shù)，也可以沿著徑向方向減小。對(duì)于內(nèi)側(cè)部分(Root < Rm < O. 45R,即與葉根距離小于O. 45R的范圍內(nèi))的A-A 截面，當(dāng)?shù)氐臍鈩?dòng)攻角在27°到22°范圍內(nèi)，分離點(diǎn)處于離前緣邊一半弦長(zhǎng)處。因此，在這一部分，在上翼面劈縫與尾緣邊22的距離“a”為40% -60%的當(dāng)?shù)仄骄议L(zhǎng)。并且，在下翼面劈縫與尾緣邊22的距離“a, ”為65% -90%的當(dāng)?shù)仄骄议L(zhǎng)。對(duì)于中間部分(O. 45R < Rm < O. 65R，即與葉根距離大于O. 45R并且小于O. 65R的范圍內(nèi))的A-A截面，當(dāng)?shù)貧鈩?dòng)攻角在22° -16°范圍內(nèi)，由于相對(duì)速度在這一部分開(kāi)始增加，使得分離點(diǎn)向前緣邊靠近，因此，離尾緣邊22的距離“a”又開(kāi)始處于40-60%的當(dāng)?shù)仄骄议L(zhǎng)范圍內(nèi)，同時(shí)下表面上劈縫離尾緣邊的22的距離“a, ”處于75-95%的當(dāng)?shù)仄骄议L(zhǎng)處。圖3c給出了劈縫的截面，此處的截面與劈縫的縱向截面平行。圖4a_b給出了處于壓力面52和吸力面51間的劈縫53結(jié)構(gòu)。劈縫連接了葉片的兩個(gè)面，位于葉片中間。圖5給出了單獨(dú)的一個(gè)劈縫空心通道53。上側(cè)56與下側(cè)58的邊緣分別在吸力面 51和壓力面52上。利用二次流后的翼型性能改進(jìn)基于一般翼型中二次流的空氣動(dòng)力學(xué)分析，如果設(shè)計(jì)的合適，可以增加升力系數(shù)的最大值，并且增加攻角的間隔會(huì)使得整體性能有所提升。圖8a_b給出了帶有不同劈縫構(gòu)造的S809翼型性能。在圖中，橫坐標(biāo)AOA為不同的攻角，圖8a中的縱坐標(biāo)為升力系數(shù)，圖 Sb中縱坐標(biāo)為阻力系數(shù)。升力系數(shù)abxy/阻力系數(shù)abxy表示不同點(diǎn)處的升力和阻力系數(shù)，ab與xy分別表示在上表面和下表面處劈縫距離尾緣邊的距離(具體數(shù)值為當(dāng)?shù)叵议L(zhǎng)的百分?jǐn)?shù))?？梢郧逦目吹?，在大攻角(大于15° )情況下，劈縫的引入可以改善其氣動(dòng)性能， 包括在增加升力系數(shù)與減小阻力系數(shù)兩個(gè)方面。在圖中標(biāo)示區(qū)域，帶有合適劈縫結(jié)構(gòu)葉片的升力系數(shù)明顯大于傳統(tǒng)葉片，而阻力系數(shù)明顯小于傳統(tǒng)葉片。制造方法本發(fā)明需要制造從葉片壓力面到吸力面并且具有內(nèi)部光滑表面的整個(gè)通道，通道被用來(lái)從內(nèi)部連接葉片表面，不能有其它地方的氣體泄露，因此必須制造得非常精細(xì)。從結(jié)構(gòu)上來(lái)講，通道通常不會(huì)被用來(lái)承受載荷，因此不需要考慮太多強(qiáng)度方面的問(wèn)題。由于大型水平軸風(fēng)力機(jī)葉片都是用復(fù)合材料做成的，因此本裝置可以用兩種方法來(lái)進(jìn)行安裝一種方法是在制備好的葉片上利用銑刀等工具加工出劈縫通道；第二種方法就是與鑄造葉片時(shí)，直接在葉片上形成劈縫通道。
權(quán)利要求
1.一種帶有劈縫結(jié)構(gòu)的水平軸流式風(fēng)力渦輪葉片，其特征在于，包括葉身，葉身具有壓力面和吸力面，所述葉身上設(shè)有若干從壓力面到吸力面的劈縫通道。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種帶有劈縫結(jié)構(gòu)的水平軸流式風(fēng)力渦輪葉片，其特征在于，所述劈縫通道連通壓力面和吸力面，用于產(chǎn)生二次流。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種帶有劈縫結(jié)構(gòu)的水平軸流式風(fēng)力渦輪葉片，其特征在于，所述葉身具有前緣邊和尾緣邊，劈縫通道在吸力面上的開(kāi)口與尾緣邊之間的距離大于劈縫通道在壓力面上的開(kāi)口與尾緣邊之間的距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種帶有劈縫結(jié)構(gòu)的水平軸流式風(fēng)力渦輪葉片，其特征在于，所述劈縫通道沿葉身徑向長(zhǎng)度方向設(shè)置。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種帶有劈縫結(jié)構(gòu)的水平軸流式風(fēng)力渦輪葉片，其特征在于，所述劈縫通道設(shè)置于葉片65%的徑向長(zhǎng)度內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種帶有劈縫結(jié)構(gòu)的水平軸流式風(fēng)力渦輪葉片，其特征在于，所述劈縫通道設(shè)置于葉身上葉型(16)至葉片65%的徑向長(zhǎng)度內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種帶有劈縫結(jié)構(gòu)的水平軸流式風(fēng)力渦輪葉片，其特征在于，葉身的若干劈縫通道的厚度相等。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種帶有劈縫結(jié)構(gòu)的水平軸流式風(fēng)力渦輪葉片，其特征在于，葉身的若干劈縫通道的厚度沿葉片徑向遞減。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種帶有劈縫結(jié)構(gòu)的水平軸流式風(fēng)力渦輪葉片，包括葉身，葉身具有壓力面和吸力面，所述葉身上設(shè)有若干從壓力面到吸力面的劈縫通道；所述劈縫通道連通壓力面和吸力面，用于產(chǎn)生二次流。本發(fā)明提出一種帶有劈縫結(jié)構(gòu)的水平軸流式風(fēng)力渦輪葉片結(jié)構(gòu)，在HAWT葉片上構(gòu)造從壓力面到吸力面的縱向劈縫，利用其產(chǎn)生的二次流來(lái)推遲吸力面上流動(dòng)分離的發(fā)生，從而提高葉片的出力。
文檔編號(hào)F03D1/06GK102606387SQ20121006688
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月14日
發(fā)明者宋亞軍, 莫哈, 謝永慧 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)