CN101169101A - 装有喷气襟翼翼型叶片的风力机叶轮 - Google Patents
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Abstract
装有喷气襟翼翼型叶片的风力机叶轮,即在叶片的翼型尾缘或尾缘附近的压力面上,例如离前缘距离为80%~100%翼型弦长处开有一排喷气孔,从叶尖到叶根,或者在叶片的一个选定半径范围内,其喷气方向与翼型弦线所夹角度控制在15°~90°之间,用喷气代替常规襟翼的作用,既显著提高了风力机的输出功率,降低了起动风速,扩大其工作范围,又无须消耗额外动力,降低了发电成本;其中喷气是由叶片的旋转离心力抽取空心轮毂前方的风而产生的。
Description
技术领域
本发明涉及一种装有喷气襟翼翼型叶片的风力机叶轮,确切地说是一种水平轴风力机的叶片上具有射流产生的襟翼,属于风力机设计、制造和应用领域。
背景技术
几十年来,人们一直在追求如何更多地提高风力机的风能利用效率,US4197053提出了一种从空心轮毂前方被动进气,再从叶片尾缘喷气的方案,它降低了风力机的起动风速,从而扩大了风力机的工作范围。
CN03134065.2则大大拓宽了上述技术的应用范围,它考虑了工程需要,将叶片上的喷气孔开在压力面上,而且喷气方向为叶轮旋转的切线方向,即所谓“推力型工作原理”,实验结果证明,由于叶轮旋转产生的离心力的加功,使得喷气速度大大增加,对叶片所产生的推力大大增加,因而风力机的输出功率显著增加,这不仅降低了风力机的起动风速,扩大了风力机的有效工作范围,而且在风力机的正常运转情况下明显提高了其做功能力,而这才是决定风力机输出功率大小的关键时段;但是在实施这一技术时也存在一些问题,例如在设计状态下,安装角接近0度,叶片的喷气方向几乎是在叶轮的旋转平面内,即接近切向的,喷气的效果好,但是如在变桨距情况下,桨距角的些微改变都会影响叶片上相对于旋转平面的喷气方向,这显然会影响风力机的性能发挥。
风力机做功的关键部件是叶片,而叶片气动性能的好坏直接取决于翼型的性能;翼型弯度对其气动性能有很大的影响,有许多种方法可以对传统翼型的弯度进行修改;自20世纪70年代以来,国内外对格尼(Gurney)襟翼进行了大量研究,取得了一些好的结果。所谓Gurney襟翼,即在翼型尾缘沿叶片展向加装一块适当高度的小平板;研究表明,适当高度的襟翼,例如高度为2%翼型弦长的襟翼可以明显提高其气动性能,实际上Gurney襟翼有效地改变了翼型吸力面和压力面上的压力分布,增加了翼型的有效弯度,因而增加了绕流翼型的环量,明显提高了翼型的升力系数,并且在高度适当时,会使其升阻比有所提高。但是对于尾缘的理论厚度为0的叶片,这种技术实施起来并不容易,例如Guriney襟翼在与翼型的连接时的结构强度就会带来新问题;并且Gurney襟翼明显阻碍了压力面上的气流流动,因此在升力增加的同时,其阻力可能会有更大的增加;另外一个重要的问题还在于它不易控制,因此就出现了用一股与叶片表面成一定角度的喷气代替襟翼的方法,这就是喷气襟翼。喷气襟翼产生的效果与喷气在翼型弦线的位置,喷气的方向以及喷气量的大小有关;由于喷气量是可以控制的,因此比Gurney襟翼的效果更好,喷气量的大小则由产生喷气的气源来控制;通常的气源则是一台风机,当然这需要消耗额外的能量。Gurney襟翼技术通常可用于飞机机翼,直升机及旋转叶轮机械上,但是所有这些应用(如果有的话),都是通过一台专用的风机供气,即都是主动喷气,需要消耗额外的能量。
发明内容
本发明的目的是弥补现有技术的不足,通过被动喷气襟翼的气体动力学方法增大翼型的弯度,提高翼型的空气动力学性能,从而显著提高风力机的性能而无须消耗额外的能量。
为实现上述目的,本发明采用下述技术方案:装有喷气襟翼翼型叶片的风力机叶轮,包括空心叶片(10)和空心轮毂(11),空心叶片(10)上设有喷气孔(16)。所述喷气孔(16)的中心线与翼型弦长(23)之间的夹角在15°~90°之间。
当风力机工作时,前方的风(1)从轮毂上的孔(12)进入,并通过轮毂周壁上的孔(9)进入叶片中的孔(13),再从钝尾缘(18)或压力面(15)上的喷气孔(16)喷出。
本发明的优点是:比叶片尾缘切向喷气的方法实施更方便,效果更稳定;比通常的各种襟翼方法,叶片的重量减轻,结构更牢固;风力机的风能利用系数大大提高,使得发电成本降低;同时喷气襟翼方法也是可根据需要进行控制的。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的一个实施例。
图3为本发明的另一个实施例。
图4为图2的局部放大示意图。
图5为图3的局部放大示意图。
图6为叶片的翼型剖面示意图。
图7为叶片的钝尾缘翼型剖面示意图。
图8为本发明的风洞实验结果曲线。
图9为本发明的工作原理图。
具体实施方式
参照图1和9,本发明中的风力机风轮由叶片10和轮毂11组成,其中叶片10和轮毂11都是空心的,叶片10有吸力面14和压力面1,压力面15的尾缘附近有一排喷气孔16。当风力机工作时,前方的风1从轮毂上的孔12进入,并通过轮毂周壁上的孔9进入叶片中的孔13,再从压力面的喷气孔16喷出。喷气孔可以只分布在叶片压力面15上的叶尖区域、或叶片中部,或根部区域,也可分布在叶片尖部、中部或根部三者中的任意两个区域;也可分布在整个叶片压力面15上,从叶片根部到叶片尖部。
参照图2,这是本发明的一个实施例,叶片10装在轮毂11上,轮毂11周壁上有孔9与叶片上的孔13相通;叶片有前缘17和尾缘18,尾缘可以是尖的,也可以是钝的;在其尾缘或其附近的压力面一侧有一排喷气孔16。
参照图3,这是本发明的另一个实施例,叶片100装在轮毂110上,轮毂110是空心的,其上有孔120,而周壁上有孔90与叶片上的孔130相通;叶片有前缘170和尾缘180,尾缘可以是尖的,也可以是钝的;在其尾缘或其附近压力面一侧有一排喷气孔160。实际上,喷气孔的形状可以根据具体应用采取不同的形状,如椭圆形的等。
参照图4,这是图2的局部放大图,叶片10有前缘17,尾缘18,尾缘可以是尖的,也可以是钝的;前缘17与尾缘18之间的距离为23(简称翼型的弦长C);叶片是空心的,有通气孔13;叶片压力面靠近尾缘处有一排矩形喷气孔16,其中心线距前缘17的距离为22;通气孔13与喷气孔16相通(图中未示出);矩形喷气孔的长度为20,宽度为21,二矩形喷气孔之间距离为19;矩形喷气孔16距前缘17的距离22为翼型的弦长C的80%~100%(100%对应于钝尾缘的情况),最好在95%左右;矩形喷气孔的宽度21为翼型弦长C的0.1%~5.0%;矩形喷气孔的长度20与宽度21之比为1.0~10.0;相邻矩形喷气孔之间的距离19与喷气孔的宽度比为0.3~10。
参照图5,这是图3的局部放大图,叶片100有前缘170,尾缘180,尾缘可以是尖的,也可以是钝的;前缘170与尾缘180之间的距离为230(简称翼型的弦长C);叶片是空心的,有通气孔130;叶片压力面靠近尾缘处有一排圆形喷气孔160,其中心线距前缘170的距离为220;通气孔130与喷气孔160相通(图中未示出);圆形喷气孔160的直径为210,相邻二圆形喷气孔之间距离为190;圆形喷气孔中心线距前缘170的距离220为翼型的弦长C的80%~100%,(其中100%对应于钝尾缘)最好在95%左右;圆形喷气孔的直径210为翼型弦长C的0.1%~5.0%;相邻圆形喷气孔之间的距离190与喷气孔直径160之比为0.3~10。
参照图6,这是叶片的翼型剖面示意图。翼型剖面示意图中有翼型的吸力面14,压力面15,前缘17,尾缘18,(尾缘可以是尖的,也可以是钝的)通气孔13,喷气孔16;通气孔13与喷气孔16相互联通,通气孔13的形状不限,依翼型的型面形状及叶片的强度要求而定,但二者之间的过渡应是光滑的;前缘17与尾缘18之间的距离为23(也称翼型的弦长C);喷气孔16的截面形状可以是收缩的,也可以是等截面的或扩张形的;喷气孔16的中心线距前缘17的距离22为翼型弦长C的80%~100%(100%对应于钝尾缘);喷气孔16的中心线与翼型弦长23之间的夹角为24,它控制了风力机工作时这些喷气孔的喷气方向,该夹角24在15°~90°之间。
参照图7,这是叶片的钝尾缘翼型剖面示意图。翼型剖面示意图中有翼型的吸力面14,压力面15,前缘17,尾缘18,(这里尾缘是钝的)通气孔13,喷气孔16;通气孔13与喷气孔16相互联通,通气孔13的形状不限,依翼型的型面形状及叶片的强度要求而定,但二者之间的过渡应是光滑的;前缘17与钝尾缘18之间的距离为23(也称翼型的弦长C);喷气孔16的截面形状可以是收缩的,也可以是等截面的或扩张形的;喷气孔16位于钝尾缘平面18上,距前缘17的距离22为翼型弦长C的100%,这里22与23重合;喷气孔16的中心线与翼型弦长23之间的夹角为24,它控制了风力机工作时这些喷气孔的喷气方向,该夹角24在15°~90°之间。
本发明已经经过大量的风洞实验,参照图8可见,本发明的风力机模型不仅降低了对应的原型风力机的起动风速,而且显著提高了其输出功率。
尽管本发明是针对风力机而提出的,但是它的设计思想同样适用于所有的叶轮机械,如直升机旋翼的桨叶、轴流压气机和涡轮、螺旋桨等。
Claims (9)
1.一种装有喷气襟翼翼型叶片的风力机叶轮,包括空心叶片(10)和空心轮毂(11),空心叶片(10)上设有喷气孔(16),其特征在于:所述喷气孔(16)的中心线与翼型弦长(23)之间的夹角在15°~90°之间。
2.根据权利要求1所述的装有喷气襟翼翼型叶片的风力机叶轮,其特征在于:喷气孔(16)在叶片翼型压力面上靠近尾缘的位置,即其中心线离所说翼型前缘(17)的距离为其弦长C的80%~100%。
3.根据权利要求1所述的装有喷气襟翼翼型叶片的风力机叶轮,其特征在于:喷气孔(16)在叶片的钝尾缘翼型的尾缘平面(18)上,即其中心线离所说翼型前缘(17)的距离为其弦长C的100%。
4.根据权利要求1所述的装有喷气襟翼翼型叶片的风力机叶轮,其特征在于:喷气孔(16)的形状可以是矩形、圆形、椭圆或菱形。
5.根据权利要求1所述的装有喷气襟翼翼型叶片的风力机叶轮,其特征在于:喷气孔(16)可以分布在整个叶片上,即从叶片根部到叶片尖部,也可以仅仅分布在叶片的尖部、中部、根部或其中二者。
6.根据权利要求4所述的装有喷气襟翼翼型叶片的风力机叶轮,其特征在于:所述的喷气孔(16)呈矩形,其宽度(21)在翼型弦长的0.1%~5.0%之间,其长宽比在1.0~10.0之间。
7.根据权利要求4所述的装有喷气襟翼翼型叶片的风力机叶轮,其特征在于:喷气孔(16)的相邻二个矩形喷气孔之间的距离(19)与喷气孔的宽度(21)之比在0.3~10之间。
8.根据权利要求4所述的装有喷气襟翼翼型叶片的风力机叶轮,其特征在于:所述的喷气孔(16)呈圆形,其直径(210)在翼型弦长C的0.1%~5.0%之间;相邻二个圆形喷气孔之间的距离(190)与喷气孔(16)直径之比在0.3~10之间。
9.根据权利要求1或4所述的装有喷气襟翼翼型叶片的风力机叶轮,
其特征在于:喷气孔(16)的剖面形状可以是收缩的,或等截面的,或扩张的。
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