阅读说明：本技术 叶片边界层流动控制系统及包括其的风力发电机组 (Blade boundary layer flow control system and wind generating set comprising same ) 是由 赵越 金孝龙 于 2019-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种叶片边界层流动控制系统及包括其的风力发电机组,叶片边界层流动控制系统包括：风机叶片,风机叶片为弹性体,具有吸力面、压力面、叶片前缘以及叶片后缘,其中,风机叶片的内部形成有叶片腔体；第一导流段,第一导流段与叶片腔体连通；第二导流段,第二导流段与第一导流段连通,且第二导流段设置于吸力面的靠近叶片后缘一侧,第二导流段具有导流气孔。本发明在不使用额外气泵、抽气机等气流产生设备,不额外消耗能量的情况下,仅利用风电机组运行过程中风机叶片自身弹性变形产生的空气流动,对叶片边界层进行流动控制,实现抑制叶片边界层分离,延迟风机叶片失速,提高风机叶片的气动性能,提升风力发电机组发电量的效果。(The invention discloses a blade boundary layer flow control system and a wind generating set comprising the same, wherein the blade boundary layer flow control system comprises: the fan blade is an elastic body and is provided with a suction surface, a pressure surface, a blade front edge and a blade rear edge, wherein a blade cavity is formed inside the fan blade; the first flow guide section is communicated with the blade cavity; and the second flow guide section is communicated with the first flow guide section, is arranged on one side of the suction surface close to the rear edge of the blade and is provided with a flow guide air hole. According to the invention, under the conditions of not using extra air pump, air extractor and other air flow generating equipment and not consuming extra energy, the flow control is carried out on the blade boundary layer only by utilizing the air flow generated by the elastic deformation of the fan blade in the running process of the wind turbine generator, so that the effects of inhibiting the separation of the blade boundary layer, delaying the stall of the fan blade, improving the pneumatic performance of the fan blade and improving the generating capacity of the wind turbine generator are realized.)

叶片边界层流动控制系统及包括其的风力发电机组

技术领域

本发明涉及一种叶片边界层流动控制系统及包括其的风力发电机组。

背景技术

风力发电机组在运行时，若叶片的迎角过大，叶片会出现边界层流动分离现象，称为叶片失速，流动分离会导致叶片升力迅速下降，阻力迅速上升，导致叶片气动性能下降，发电量损失严重。随着风电叶片的大型化，对叶片结构的要求越来越高，大厚度、钝尾缘的翼型成为了叶根端翼型的首选。在风电机组运行过程中，使用大厚度翼型的叶根区域极易出现边界层流动分离，进而产生沿叶片展向的三维流动，造成叶片气动性能的下降。

翼型边界层流动控制技术是抑制边界层流动分离，延迟叶片失速的有效手段，包括涡流发生器、表面吹吸气等技术。

中国专利文献CN108087193A涉及一种叶片、叶片增效系统及风力发电机组，该叶片在吸力面和压力面上预埋引流管，基于风速和来流攻角来控制气泵通过引流管吸气或喷气，达到流动控制的目的，进而避免失速的发生。

中国专利文献CN106762402A涉及一种基于联合射流技术的风力机叶片流动控制装置及其控制方法，该装置在叶片前缘设置高压气室和前缘喷气口，后缘设置低压气室和后缘吸气口，高气压室与前缘喷气口相连，低气压室与后缘吸气口相连，高气压室和低气压室与气泵装置相连，通过前缘喷气与后缘吸气的结合，可以有效降低叶片的切入速度、增加风力机输出功率、抑制动态失速。

上述方案均需采用气泵、抽气机等额外的气流产生设备向叶片表面吹吸气，需要额外消耗电能，若气泵、抽气机等气流产生设备消耗的能量比风电机组通过该流动控制手段增加的发电量还多，则会造成能量的损失，失去增功的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中向叶片表面吹吸气需要额外消耗电能，造成能量的损失，失去增功的意义的缺陷，提供一种叶片边界层流动控制系统及包括其的风力发电机组。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种叶片边界层流动控制系统，其特点在于，其包括：

风机叶片，所述风机叶片为弹性体，具有吸力面、压力面、叶根端、叶尖端、叶片前缘以及叶片后缘，其中，所述风机叶片的内部形成有叶片腔体；

第一导流段，所述第一导流段与所述叶片腔体连通；

第二导流段，所述第二导流段与所述第一导流段连通，且所述第二导流段设置于所述吸力面的靠近所述叶片后缘一侧，所述第二导流段具有导流气孔，其中，所述叶片腔体收缩时使得内部气体自所述导流气孔喷出，所述叶片腔体扩张时使得外部气体自所述导流气孔吸入。

本发明提供的叶片边界层流动控制系统，利用风力发电机组在运行过程中，由风机叶片自身弹性变形产生的气体流量，对叶片边界层进行吹气和吸气。其中，叶片腔体内部容积变小时，受挤压的空气会流经第一导流段，从第二导流段的到导流气孔中喷出，利用吹气向边界层中注入高能量气体，使边界层进一步向后缘发展，延迟边界层分离，降低风机叶片载荷，提升风机叶片气动性能，提高发电量；

叶片腔体内部容积变大时，叶片腔体内部的低压会将外部空气从第二导流段的导流气孔吸入叶片腔体内，将叶片边界层中能量低的气体吸入到叶片腔体内，使外部高能量的气体补充到边界层中，同样可以使边界层进一步向后缘发展，延迟边界层分离，降低叶片载荷，提升风机叶片的气动性能，提高发电量。

因此，本发明的边界层流动控制系统可以在不使用额外气泵、抽气机等气流产生设备，不额外消耗能量的情况下，仅利用风电机组运行过程中风机叶片自身弹性变形产生的气流变化，对叶片边界层进行流动控制，实现抑制叶片边界层分离，延迟风机叶片失速、提高风机叶片的气动性能，提升风力发电机组发电量的效果。

较佳地，所述叶根端的内部设有叶根挡板，所述叶根挡板上设置有通气孔以及人孔盖，所述第一导流段通过所述通气孔与所述叶片腔体连通。通过叶根挡板上的通气孔的设置，可以避免在风机叶片的壳体上进行开孔，因此不会降低风机叶片的结构强度。通气孔作为叶片腔体内气流的唯一进出口与第一导流段进行连接。

较佳地，所述叶根端连接于轮毂，所述第一导流段自轮毂内部绕出至所述叶根端的外侧，并与所述第二导流段连通。所述第一导流段绕开轮毂，实现了叶根端的内侧和外侧之间的延伸。

较佳地，所述第一导流段为软质管，所述第二导流段为硬质管，其中，所述第二导流段的一端与所述第一导流段连接，另一端密封。软质管便于第一导流段在叶根端的内侧和外侧之间的延伸。

较佳地，所述第二导流段自所述叶根端朝所述叶尖端延伸。由此能够增加第二导流段的沿着风机叶片的纵向的覆盖距离，尤其是叶根端容易产生边界层流动分离现象，由此可以显著提升气动性能。

较佳地，所述通气孔相对于所述叶根挡板具有凸起部分，所述凸起部分与所述第一导流段密封连接。

较佳地，所述吸力面的靠近所述叶片后缘一侧设置有所述第二导流段，所述吸力面的靠近所述叶片前缘一侧设置有所述第二导流段或者涡流发生器。靠近叶片前缘一侧设置的第二导流段以及涡流发生器能够进一步提升风机叶片的气动性能。

较佳地，靠近所述叶片后缘一侧的所述第二导流段的长度，与靠近所述前缘一侧的所述第二导流段或者所述涡流发生器的长度一致。

较佳地，第二导流段的布置长度为所述风机叶片的总长度的0％～50％。

较佳地，所述吸力面的靠近所述叶片后缘一侧设置有多排所述第二导流段。多排所述第二导流段能够进一步减少边界层流动分离现象，由此可以显著提升气动性能。

较佳地，所述第二导流段具有朝上的第一表面以及朝向所述叶片后缘的第二表面，其中，所述第一表面为流线型，所述导流气孔设置于所述第二表面。流线型的第一表面尽量减少其对风机叶片的气动外形造成的影响。第二表面的朝向设置使得导流气孔的吹吸气能够更准确作用于边界层。

较佳地，所述第二表面的法向与所述吸力面向所述叶片后缘方向的切向形成的夹角范围为0°～45°。

较佳地，所述第二导流段通过双面胶带或粘接胶粘贴在所述吸力面，所述双面胶带或粘接胶层的厚度小于1mm，所述第二导流段在所述吸力面的法向上高度小于10mm。由此尽可能减少了第二导流段的高度，减少对风机叶片的气动外形造成的影响。

一种风力发电机组，其特点在于，所述风力发电机组包括所述叶片边界层流动控制系统。

本发明的积极进步效果在于：本发明的边界层流动控制系统可以在不使用额外气泵、抽气机等气流产生设备，不额外消耗能量的情况下，仅利用风电机组运行过程中风机叶片自身弹性变形产生的空气流动，对叶片边界层进行流动控制，实现抑制叶片边界层分离，延迟风机叶片失速，提高风机叶片的气动性能，提升风力发电机组发电量的效果。

附图说明

图1为本发明实施例1的叶片边界层流动控制系统的顶部结构示意图。

图2为本发明实施例1的风机叶片的结构示意图。

图3为本发明实施例1的叶片边界层流动控制系统的侧面结构示意图。

图4为本发明实施例1的第二导流段的剖面结构示意图。

图5为本发明实施例1的风机叶片的叶根挡板的结构示意图。

图6为本发明实施例1的风机叶片的叶根端的连接示意图。

图7为本发明实施例1的风力发电机组的结构示意图。

图8为本发明实施例2的叶片边界层流动控制系统的顶部结构示意图。

图9为本发明实施例2的叶片边界层流动控制系统的侧面结构示意图。

图10为本发明实施例3的叶片边界层流动控制系统的顶部结构示意图。

图11为本发明实施例3的叶片边界层流动控制系统的侧面结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

如图1-图7所示，本实施例公开了一种叶片边界层流动控制系统，其中，叶片边界层流动控制系统包括风机叶片、第一导流段以及第二导流段。

如图1和图3所示，本实施例的叶片边界层流动控制系统包括风机叶片1，风机叶片1为弹性体，具有吸力面13、压力面14、叶根端16、叶尖端15、叶片前缘11以及叶片后缘12，其中，风机叶片1的内部形成有叶片腔体17。

如图1、图5和图7所示，本实施例的叶片边界层流动控制系统包括第一导流段21以及第二导流段22。其中，第一导流段21与叶片腔体17连通。如图1和图4所示，第二导流段22与第一导流段21连通，且第二导流段22设置于吸力面13的靠近叶片后缘12一侧，第二导流段22具有导流气孔23，其中，叶片腔体17收缩时使得内部气体自导流气孔23喷出，叶片腔体17扩张时使得外部气体自导流气孔23吸入。

本发明提供的叶片边界层流动控制系统，利用风力发电机组在运行过程中，由风机叶片1自身弹性变形产生的气体流量，对叶片边界层进行吹气和吸气。其中，叶片腔体17内部容积变小时，受挤压的空气会流经第一导流段21，从第二导流段22的到导流气孔23中喷出，利用吹气向边界层中注入高能量气体，使边界层进一步向后缘12发展，延迟边界层分离，降低风机叶片1载荷，提升风机叶片1气动性能，提高发电量；

叶片腔体17内部容积变大时，叶片腔体17内部的低压会将外部空气从第二导流段22的导流气孔23吸入叶片腔体17内，将叶片边界层中能量低的气体吸入到叶片腔体17内，使外部高能量的气体补充到边界层中，同样可以使边界层进一步向后缘12发展，延迟边界层分离，降低叶片载荷，提升风机叶片1的气动性能，提高发电量。

因此，本发明的边界层流动控制系统可以在不使用额外气泵、抽气机等气流产生设备，不额外消耗能量的情况下，仅利用风电机组运行过程中风机叶片1自身弹性变形产生的气流变化，对叶片边界层进行流动控制，实现抑制叶片边界层分离，延迟风机叶片1失速提高风机叶片1的气动性能，提升风力发电机组发电量的效果。

如图2、图5和图6所示，本实施例的风机叶片1具有叶根端16，叶根端16的内部设有叶根挡板161，叶根挡板161上设置有通气孔162以及人孔盖163，第一导流段21通过通气孔162与叶片腔体17连通。通过叶根挡板161上的通气孔162的设置，可以避免在风机叶片1的壳体上进行开孔，因此不会降低风机叶片1的强度。通气孔162作为叶片腔体17唯一的进出口与第一导流段21进行连接。

如图7所示，叶根端16连接于轮毂5，第一导流段21自轮毂5内部绕出至叶根端16的外侧，并与第二导流段22连通。第一导流段21绕开轮毂5，实现了叶根端16的内侧和外侧之间的延伸。

本实施例中，第一导流段21为软质管，第二导流段22为硬质管，其中，第二导流段22的一端与第一导流段21连接，另一端密封。软质管便于第一导流段21在叶根端16的内侧和外侧之间的延伸。

如图2所示，本实施例的第二导流段22自叶根端16朝风机叶片1的叶尖端15延伸。由此能够增加第二导流段22的沿着风机叶片1的纵向的覆盖距离，尤其是叶根端16容易产生边界层流动分离现象，由此可以显著提升气动性能。

如图6所示，本实施例的通气孔162相对于叶根挡板161具有凸起部分1621，凸起部分1621与第一导流段21密封连接。

如图1和图3所示，本实施例的吸力面13的靠近叶片后缘12一侧设置有第二导流段22，吸力面13的靠近叶片前缘11一侧不设置其他结构。其中，第二导流段22的布置长度为风机叶片1的总长度的0％～50％。

在其他的实施方式中，吸力面13的靠近叶片后缘12一侧设置有多排第二导流段22。多排第二导流段22能够进一步减少边界层流动分离现象，由此可以显著提升气动性能。

如图4所示，本实施例的第二导流段22具有朝上的第一表面221以及朝向叶片后缘12的第二表面222，其中，第一表面221为流线型，导流气孔23设置于第二表面222。流线型的第一表面221尽量减少其对风机叶片1的气动外形造成的影响。第二表面222的朝向设置使得导流气孔23的吹吸气能够更准确作用于边界层。

其中，本实施例中的第二表面222的法向与吸力面13向叶片后缘12方向的切向形成的夹角范围为0°～45°。

如图4所示，本实施例的第二导流段22通过双面胶带或粘接胶粘贴在吸力面13，双面胶带或粘接胶层223的厚度小于1mm，第二导流段22在吸力面13的法向上高度小于10mm。由此尽可能减少了第二导流段22的高度，减少对风机叶片1的气动外形造成的影响。

如图7所示，本实施例还公开了一种风力发电机组，其中，风力发电机组包括叶片边界层流动控制系统。风力发电机组还包括机舱3、塔架4以及轮毂5。风机叶片1连接在轮毂5上。

实施例2

如图8和图9所示，本实施例的吸力面13的靠近叶片后缘12一侧设置有第二导流段22，吸力面13的靠近叶片前缘11一侧设置有涡流发生器6。靠近叶片前缘11一侧设置的涡流发生器6能够进一步提升风机叶片1的气动性能。

本实施例中，靠近叶片后缘12一侧的第二导流段22的长度，与靠近前缘11一侧的涡流发生器6的长度一致。本实施例中的其他结构与实施例1相同，故在此不做赘述。

实施例3

如图10和图11所示，本实施例的吸力面13的靠近叶片后缘12一侧设置有第二导流段22，吸力面13的靠近叶片前缘11一侧也设置有第二导流段22。靠近叶片前缘11一侧设置的第二导流段22能够进一步提升风机叶片1的气动性能。

本实施例中，靠近叶片后缘12一侧的第二导流段22的长度，与靠近前缘11一侧的第二导流段22的长度一致。本实施例中的其他结构与实施例1相同，故在此不做赘述。

综上所述：本发明的边界层流动控制系统可以在不使用额外气泵、抽气机等气流产生设备，不额外消耗能量的情况下，仅利用风电机组运行过程中风机叶片自身弹性变形产生的空气流动，对叶片边界层进行流动控制，实现抑制叶片边界层分离，延迟风机叶片失速，提高风机叶片的气动性能，提升风力发电机组发电量的效果。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。