本實(shí)用新型涉及一種用于風(fēng)力機(jī)葉片的渦流發(fā)生器。

背景技術(shù)：

風(fēng)力機(jī)是實(shí)現(xiàn)將風(fēng)中蘊(yùn)含動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)槿~片旋轉(zhuǎn)機(jī)械能進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿膭?dòng)力機(jī)械。風(fēng)力機(jī)葉片是風(fēng)力機(jī)的核心部件，其氣動(dòng)性能是衡量葉片優(yōu)劣的重要指標(biāo)。

隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步和研究的深入，風(fēng)電單機(jī)容量不斷增大，風(fēng)力機(jī)尺寸不斷增加，風(fēng)力機(jī)的葉型也越來(lái)越復(fù)雜，在來(lái)流攻角比較大的情況下，或者在脈動(dòng)風(fēng)的影響，風(fēng)力機(jī)葉片的上表面將發(fā)生分離，使得葉片的氣動(dòng)特性嚴(yán)重惡化。對(duì)風(fēng)力機(jī)高氣動(dòng)性能的追求，刺激了預(yù)彎、變扭、后掠、柔性及自適應(yīng)等葉片新技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展。

風(fēng)力機(jī)附近流場(chǎng)十分復(fù)雜，風(fēng)剪切、風(fēng)偏航引起的不對(duì)稱入流和湍流等因素引起的非定常入流等都能使葉片表面出現(xiàn)流動(dòng)分離，在葉片表面增加流動(dòng)控制裝置例如渦流發(fā)生器成為大勢(shì)所趨。

渦流發(fā)生器(Vortex Generator，VG)用于防止氣流分離，安裝在翼面或機(jī)身上產(chǎn)生小旋渦的翼片。渦流發(fā)生器最早是美國(guó)聯(lián)合飛機(jī)公司的Bmynes和Tyalr提出，首先用于航空飛機(jī)機(jī)翼，之后延伸至風(fēng)力機(jī)葉片。

已經(jīng)公開(kāi)的相關(guān)文獻(xiàn)中，渦流發(fā)生器普遍采用三角形翼片，但其在氣動(dòng)性能仍然有待提升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，提供一種用于風(fēng)力機(jī)葉片的風(fēng)力機(jī)渦流發(fā)生器，以期產(chǎn)生較大的渦流，提升葉片的氣動(dòng)性能。

本實(shí)用新型為解決技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案：

本實(shí)用新型風(fēng)力機(jī)渦流發(fā)生器中風(fēng)力機(jī)為上風(fēng)向水平軸風(fēng)力機(jī)，葉片與輪轂相連，輪轂通過(guò)轉(zhuǎn)軸與機(jī)艙相連，機(jī)艙固定在塔筒上；所述葉片具有葉根部、葉頂部、葉片前緣、葉片尾緣，在葉片的吸力面上設(shè)置渦流發(fā)生器；

本實(shí)用新型風(fēng)力機(jī)渦流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：設(shè)置構(gòu)成渦流發(fā)生器的翼片呈矩形，每?jī)善匦我砥詼u流發(fā)生器的展向定位線為軸對(duì)稱構(gòu)成呈“八”字的渦流單元；將風(fēng)力機(jī)葉片各截面翼型吸力面表面離葉片前緣0.1c至0.2c處連成的線定義為渦流發(fā)生器的弦向定位線，各矩形翼片的翼片前端處于所述弦向定位線所在位置處，各矩形翼片在吸力面上呈直立，并且以翼片底面粘結(jié)在吸力面上，每一矩形翼片與吸力面之間形成獨(dú)立的粘合層，使各渦流單元在吸力面上自葉根部至葉頂部沿弦向定位線間隔且均勻分布；c為展向定位線所在位置處葉片截面上的翼型弦長(zhǎng)。

本實(shí)用新型風(fēng)力機(jī)渦流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于：在所述矩形翼片上，位于翼片頂邊的前沿和后沿，分別設(shè)置為倒角。

本實(shí)用新型風(fēng)力機(jī)渦流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于：所述葉片為變截面扭葉片，葉片長(zhǎng)度不小于10m。

本實(shí)用新型風(fēng)力機(jī)渦流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于：對(duì)于失速型風(fēng)力機(jī)，各渦流單元在整個(gè)葉片上均勻布置，所述整個(gè)葉片是指自葉根部至葉頂部的整個(gè)葉片位置；對(duì)于變槳型風(fēng)力機(jī)，各渦流單元自在葉片最大弦長(zhǎng)位置到葉頂部之間均勻布置。

本實(shí)用新型風(fēng)力機(jī)渦流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于：定義：矩形翼片的高度為H，矩形翼片的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，翼片底面的邊線與展向定位線之間的夾角為α，在一個(gè)渦流單元中，兩只矩形翼片在翼片前端位置處的展向距離為a；在相鄰的兩個(gè)渦流單元中，處在中間的兩只翼片的翼片前端位置處的展向間隔為b。

設(shè)置：L/c＝0.02-0.03，H/c＝0.005-0.0075，α＝15°-25°，a＝10mm-20mm，b＝2a。

本實(shí)用新型風(fēng)力機(jī)渦流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于：自葉根部朝向葉頂部，各矩形翼片的尺寸逐漸變小，且同一渦流單元中的兩片矩形翼片尺寸相同。

與已有技術(shù)相比，本實(shí)用新型有益效果體現(xiàn)在：

1、本實(shí)用新型采用矩形翼片，優(yōu)化矩形翼片在葉片上的布置形式，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流，獲得更好的氣動(dòng)性能；其各矩形翼片與吸力面之間獨(dú)立粘合，結(jié)構(gòu)牢固可靠，易于更換，并能保證葉片吸力面的流動(dòng)性。

2、本實(shí)用新型在翼片頂邊的前沿和后沿設(shè)置倒角，一方面提高使用安全。

3、本實(shí)用新型自葉根部朝向葉頂部，各矩形翼片的尺寸逐漸變小，可以更進(jìn)一步提高流動(dòng)控制的效果。

4、本實(shí)用新型根據(jù)風(fēng)力機(jī)類(lèi)型確定渦流發(fā)生器的布置方案，針對(duì)性強(qiáng)。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型中安裝有渦流發(fā)生器的風(fēng)力機(jī)葉片的平面示意圖；

圖2為本實(shí)用新型中安裝有渦流發(fā)生器的風(fēng)力機(jī)葉片的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實(shí)用新型中安裝有渦流發(fā)生器的風(fēng)力機(jī)葉片的斷面視圖；

圖4為本實(shí)用新型中渦流發(fā)生器分布示意圖；

圖5為本實(shí)用新型中數(shù)值模擬的幾何模型示意圖；

圖6為本實(shí)用新型中風(fēng)力機(jī)示意圖；

圖7為S809翼型渦流發(fā)生器升力計(jì)算結(jié)果圖；

圖8為S809翼型渦流發(fā)生器阻力計(jì)算結(jié)果圖；

圖9為某1.5MW風(fēng)力機(jī)翼型渦流發(fā)生器升力計(jì)算結(jié)果圖；

圖10為某1.5MW風(fēng)力機(jī)翼型渦流發(fā)生器阻力計(jì)算結(jié)果圖；

圖中標(biāo)號(hào)：1風(fēng)力機(jī)，2葉片，3輪轂，4機(jī)艙，5塔筒，6葉根部，7葉頂部，8葉片前緣，9葉片尾緣，10渦流單元，11矩形翼片，12弦向定位線，13展向定位線，14翼片頂邊，15翼片底面，16翼片前端，17翼片后端，18粘合層，19截面翼型，20吸力面，21壓力面，22翼型弦長(zhǎng)，23翼片高度，24翼片長(zhǎng)度，25夾角，26展向距離，27展向間隔，28三維直葉片段。

具體實(shí)施方式

參見(jiàn)圖6，本實(shí)施例中風(fēng)力機(jī)為上風(fēng)向水平軸風(fēng)力機(jī)1，葉片2與輪轂3相連，輪轂3通過(guò)轉(zhuǎn)軸與機(jī)艙4相連，機(jī)艙4固定在塔筒5上。

參見(jiàn)圖1，葉片2具有葉根部6、葉頂部7、葉片前緣8、葉片尾緣9、截面翼型19、吸力面20和壓力面21，在葉片的吸力面20上設(shè)置渦流發(fā)生器。

參見(jiàn)圖1、圖2、圖3和圖4，設(shè)置構(gòu)成渦流發(fā)生器的翼片呈矩形，每?jī)善匦我砥?1以渦流發(fā)生器的展向定位線13為軸對(duì)稱構(gòu)成呈“八”字的渦流單元10；將風(fēng)力機(jī)葉片各截面翼型19的吸力面20的表面、離葉片前緣8的距離為0.1c至0.2c處連成的線定義為渦流發(fā)生器的弦向定位線12，各矩形翼片11的翼片前端16處于弦向定位線12所在位置處，各矩形翼片11在吸力面20上呈直立，并且以翼片底面15粘結(jié)在吸力面20上，每一矩形翼片11與吸力面20之間形成獨(dú)立的粘合層18，使各渦流單元10在吸力面20上自葉根部6至葉頂部7沿弦向定位線12間隔且均勻分布；c為展向定位線13所在位置處葉片截面上的翼型弦長(zhǎng)22。

具體實(shí)施中，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)置也包括：

在矩形翼片11上，位于翼片頂邊14的前沿和后沿分別設(shè)置為倒角，即分處在翼片前端16和翼片后端17與翼片頂邊14的轉(zhuǎn)角位置上設(shè)置為倒角；葉片2為變截面扭葉片，葉片長(zhǎng)度不小于10m。

對(duì)于失速型風(fēng)力機(jī)，各渦流單元10在整個(gè)葉片上均勻布置，整個(gè)葉片是指自葉根部至葉頂部的整個(gè)葉片位置；對(duì)于變槳型風(fēng)力機(jī)，其一般為大型風(fēng)力機(jī)，葉片根、中部的翼型多采用厚翼型，這種翼型增加了橫截面的面積以及彎曲慣性矩，在犧牲了最大升力系數(shù)的同時(shí)具有良好的失速特性及穩(wěn)定性，因此采用渦流發(fā)生器部分葉片布置，即渦流單元10自在葉片最大弦長(zhǎng)位置到葉頂部之間均勻布置。

定義：矩形翼片11的翼片高度23為H，矩形翼片11的翼片長(zhǎng)度24為L(zhǎng)，翼片底面15的邊線與展向定位線13之間的夾角25為α，在一個(gè)渦流單元10中，兩只矩形翼片在翼片前端16位置處的展向距離26為a；在相鄰的兩個(gè)渦流單元中，處在中間的兩只翼片的翼片前端16位置處的展向間隔27為b；設(shè)置：L/c＝0.02-0.03，H/c＝0.005-0.0075，α＝15°-25°，a＝10mm-20mm，b＝2a。

本實(shí)施例中風(fēng)力機(jī)葉片為變截面扭葉片，葉片不同展向位置的截面翼型的弦長(zhǎng)會(huì)發(fā)生變化，考慮到最優(yōu)的流動(dòng)控制效果，自葉根部朝向葉頂部，各矩形翼片11的尺寸逐漸變小，且同一渦流單元10中的兩片矩形翼片尺寸相同。

本實(shí)施例中風(fēng)力機(jī)渦流發(fā)生器的數(shù)值模擬方法是：

定義：矩形翼片11的高度為H，矩形翼片11的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，翼片底面15的邊線與展向定位線13之間的夾角為α，在一個(gè)渦流單元10中，兩只矩形翼片在翼片前端16位置處的展向距離為a；在相鄰的兩個(gè)渦流單元中，處在中間的兩只翼片的翼片前端16位置處的展向間隔為b；按如下方法實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)渦流發(fā)生器的數(shù)值模擬：

將葉片2的二維翼型沿著垂直于翼型截面的方向延長(zhǎng)，得到三維直葉片段28；在數(shù)值模擬中，將風(fēng)力機(jī)葉片各截面翼型吸力面表面離前緣0.2c處連成的線定義為渦流發(fā)生器的弦向定位線12；設(shè)置：a＝15mm，b＝30mm，α＝20°，L/H＝4，L/c＝0.025，c＝1000mm，完成數(shù)值模擬的幾何建模獲得幾何模型；利用網(wǎng)格建模軟件對(duì)于幾何模型進(jìn)行全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格建模得到網(wǎng)格模型；再利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)于網(wǎng)格模型進(jìn)行風(fēng)力機(jī)渦流發(fā)生器的數(shù)值模擬。

具體實(shí)施中，渦流發(fā)生器的數(shù)量按如下方式確定：

針對(duì)失速型風(fēng)力機(jī)，風(fēng)渦流發(fā)生器在整個(gè)葉片的長(zhǎng)度l上均勻分布，針對(duì)變槳型風(fēng)力機(jī)，風(fēng)渦流發(fā)生器在葉片最大弦長(zhǎng)位置到葉頂部之間均勻布置。

初步設(shè)定展向距離26為a₀，展向間隔27為b₀，并且a₀＝10mm-20mm，b₀＝2a₀。

計(jì)算渦流發(fā)生器初設(shè)數(shù)量n₀為：n₀＝l/(a₀+b₀₎)，將n₀取整為n₁，再優(yōu)選設(shè)定渦流發(fā)生器數(shù)量n為5n₁，由如下式(1)和式(2)確定實(shí)際的展向距離26為a，以及展向間隔27為b：

l/n＝a+b (1)

b＝2a (2)

具體實(shí)施中，渦流發(fā)生器中矩形翼片的尺寸按如下方式確定：

初步設(shè)定渦流發(fā)生器的矩形翼片的高度23為H₀，長(zhǎng)度24為L(zhǎng)₀，單位均為毫米，則有：

L₀＝x₁c (3)

H₀＝x₂c (4)

并有：x₁＝0.02-0.03，x₂＝0.005-0.0075。

考慮到實(shí)際渦流發(fā)生器的生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)于L₀和H₀分別進(jìn)行取整即得到渦流發(fā)生器的矩形翼片的實(shí)際長(zhǎng)度L和高度H。

根據(jù)風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)中的葉素動(dòng)量理論，葉片沿展向分為多個(gè)葉素，各葉素相對(duì)獨(dú)立，互不影響，可視為二維翼型。

通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法Computational Fluid Dynamics，CFD，驗(yàn)證渦流發(fā)生器的流動(dòng)控制效果。CFD方法是通過(guò)數(shù)值迭代手段，對(duì)流場(chǎng)中的控制方程，如連續(xù)方程、動(dòng)量守恒方程或能量守恒方程進(jìn)行直接求解過(guò)程，最終得到氣動(dòng)參數(shù)。

由風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)中的葉素動(dòng)量理論可知，可以通過(guò)計(jì)算作用在每一段葉素上的氣動(dòng)載荷從而得到作用在整個(gè)葉片上的氣動(dòng)載荷。因此可以對(duì)葉片的數(shù)值模擬可以通過(guò)對(duì)翼型的模擬來(lái)反映。

本實(shí)施例針對(duì)失速型Phase VI風(fēng)力機(jī)的S809翼型和某1.5MW風(fēng)力機(jī)30％相對(duì)厚度截面的二維翼型進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8圖9和圖10所示。

由于渦流發(fā)生器沿葉片展向的平移周期性，本實(shí)施例將二維翼型沿垂直于翼型截面延長(zhǎng)一定長(zhǎng)度，得到一個(gè)三維的直葉片段，然后在葉片模型布置矩形渦流發(fā)生器，得到模擬的幾何模型。然后對(duì)其構(gòu)建結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，最后運(yùn)用CFD軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

圖7給出了設(shè)置有渦流發(fā)生器的三維S809翼型(VGs)的升力系數(shù)，并且與不設(shè)置渦流發(fā)生器的翼型的計(jì)算結(jié)果(NO_VG)進(jìn)行對(duì)比。在小攻角下(小于9.22°)，翼型表面基本不發(fā)生分離，渦流發(fā)生器對(duì)翼型略微增大了翼型的升力。隨著攻角的增大，翼型表面逐漸發(fā)生分離，渦流發(fā)生器逐漸提升了翼型的升力，同時(shí)延遲了失速攻角，最大升力系數(shù)由1.121提升到1.34，提升幅度達(dá)到11.6％。

圖8給出了設(shè)置渦流發(fā)生器的三維S809翼型(VGs)的升力系數(shù)，并與不設(shè)置渦流發(fā)生器的翼型的計(jì)算結(jié)果(NO_VG)進(jìn)行對(duì)比。在小攻角工況(小于9.22°)，渦流發(fā)生器由于自身的形狀阻力，會(huì)使翼型阻力有輕微的增加。隨著攻角增加，在9.22°～16.22°攻角范圍內(nèi)，由于渦流發(fā)生器延緩了邊界層的分離，從而減小了翼型阻力。隨著攻角持續(xù)增大，翼型上表面分離區(qū)逐漸增大，分離點(diǎn)逐漸前移，當(dāng)攻角增大到17.21°以后，分離點(diǎn)前移到前緣20％c以內(nèi)，這時(shí)流體在流經(jīng)渦流發(fā)生器之前已經(jīng)發(fā)生分離，渦流發(fā)生器沒(méi)有起到減阻的效果，因而翼型阻力增大。

圖9給出了設(shè)置渦流發(fā)生器的某1.5MW風(fēng)力機(jī)翼型(VGs)的升力系數(shù)，并與不設(shè)置渦流發(fā)生器的翼型的計(jì)算結(jié)果(NO_VG)和實(shí)驗(yàn)值(EXP)進(jìn)行對(duì)比。在小攻角工況(小于10°)，渦流發(fā)生器對(duì)翼型升力影響不大(略有增大)，12°攻角以后，翼型表面發(fā)生分離，此時(shí)渦流發(fā)生器起到了延緩流動(dòng)分離和增加翼型升力的作用，這與S809翼型的計(jì)算結(jié)果相似。不同的是，由于該風(fēng)力機(jī)翼型是大厚度鈍尾緣翼型，具有良好的失速特性，即在大攻角范圍內(nèi)，升力系數(shù)穩(wěn)定并處于較高水平，在流動(dòng)上體現(xiàn)為分離點(diǎn)沒(méi)有像薄翼型那樣迅速地前移到翼型前緣，因此，在添加渦流發(fā)生器之后，翼型升力隨著攻角的增大持續(xù)上升，并沒(méi)有出現(xiàn)失速現(xiàn)象，在20°攻角下渦流發(fā)生器也能起到很好的增升效果。

圖10給出了設(shè)置渦流發(fā)生器的FD82B風(fēng)力機(jī)翼型(VGs)的阻力系數(shù)，并與不設(shè)置渦流發(fā)生器的翼型的計(jì)算結(jié)果(NO_VG)和實(shí)驗(yàn)值(EXP)進(jìn)行對(duì)比。在小攻角工況(小于10°)，渦流發(fā)生器由于其自身的形狀阻力會(huì)略微提升翼型阻力，12°攻角以后，渦流發(fā)生器由于能延緩流動(dòng)分離使翼型阻力降低。由于流動(dòng)分離點(diǎn)并沒(méi)有前移到翼型前緣20％c以內(nèi)，渦流發(fā)生器在20°攻角下仍然有減阻效果。

以上結(jié)果可以看到大攻角工況，翼型表面逐漸出現(xiàn)流動(dòng)分離，此時(shí)渦流發(fā)生器能起到增升減阻的效果，由葉素動(dòng)量理論可知，翼型氣動(dòng)特性可以反映葉片氣動(dòng)特性，即在大來(lái)流風(fēng)速工況，渦流發(fā)生器有良好的抑制流動(dòng)分離的效果。

數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證了實(shí)用新型的渦流發(fā)生器在失速型風(fēng)力機(jī)和變槳型風(fēng)力機(jī)均有較好的流動(dòng)控制效果。