CN106677978A - 一种风力发电机组的叶片射流增效***设计 - Google Patents

Abstract

一种风力发电机组的叶片射流增效***设计。本发明主要的任务是发明一种风力发电机的叶片技术以及相应的气流传输控制方法来提高风力发电机的性能特别是发电量。通过本发明中的发明可以让风力发电机机的启动速度降低，同时保证风力发电机最大功率维持在之前的设计标准。本发明发明主要在中低风速区提高风力发电机性能。本发明采用在叶片根部吸入气流和在叶片叶身及尖端排放气流来改善叶片表面空气的流动。本发明涉及力致达到下面几个方面：紧凑的设计，尽量小的材料需求和生产成本，运行过程中产生尽量小的噪声，载荷的增加尽量减小。

Description

一种风力发电机组的叶片射流增效***设计

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及到风力发电机叶片的设计。

背景技术

从目前已有的技术来看提高风力发电机的发电效率有两类不同的方法。一类方法是优化叶片形状以及叶片横截面；另外一类方法是影响叶片表面的气流边界层吸附来改善气流的流动。本专利的发明致力于后者，截止目前为止在该领域还没有特别有效的提高风力发电机发电效率的方法。本专利主要的任务是发明一种风力发电机的叶片技术以及相应的控制方法来提高整体***的收益，本专利发明力致达到下面几个方面：紧凑的设计，尽量小的材料需求和生产成本，运行过程中产生尽量小的噪声，载荷的增加微小。尽可能让风机的启动速度降低，同时要保证风力发电机最大功率不改变。本专利发明能够让风力发电机在风速小的时候的发电量收益有显著的提高。性能和收益的提高主要保证在中低载荷区域进行。

发明内容

本专利涉及到叶片下表面1；叶片前缘2；叶片后缘3；根箱(根部外置后缘)从距叶根1.2米处到叶片的最大宽度处的叶片后缘区域4；吸风区域(吸气孔)5；鼓风机8；吸风槽，在吸风槽上打孔吸入气流9；小翼10；齿状排气区域11；叶片下表面叶身射流孔12；叶身导流板13；翼刀14；扰流板15；气流导管16，气流导管用来把气流从气流吸入区5导到后缘腔体7；

气流经过叶片上表面首先会由于叶片表面的曲率影响而加速，经过最大曲率位置后(到达下游)，气流速度会由于下游压力变大而变慢，边界层动能会有损失，从而造成边界层厚度的增加和边界层和叶片上表面的分离。气流从边界层的分离点开始离开叶片表面，后果是叶片的升力下降而阻力上升。

影响边界层的目的就是为了避免气流从叶片上表面的分离。边界层必须要能够尽量多的依附在叶片上面，边界层的分离点要尽量靠近叶片后缘，从而提高风力发电机的发电效率。

本专利主要采取两种方式来影响边界层：气流吸入和气流排放。气流吸入发生根箱打孔的区域，在该区域边界层通过气流吸入来紧贴在叶片表面。气流排放是把通过叶片旋转加速的气流排放到希望受到影响的边界层区。排放的气流会为边界层带来能量，从而尽可能长时间的保持边界层的稳定。

本专利主要的任务是发明一种风力发电机的叶片技术以及相应的气流传输控制方法来提高整体***的收益，本专利涉及力致达到下面几个方面：紧凑的设计，尽量小的材料需求，尽量小的生产成本，运行过程中产生尽量小的噪声以及尽量小的载荷增加。本专利的另外一个任务是让风力发电机在小风速区的发电量收益有显著的提高。尽可能让风机的启动速度降低，同时要保证风力发电机最大功率要维持在之前的设计标准。性能和收益的提高主要保证在中低载荷区域进行。本专利着重考虑改善叶片根部的气流流动来保证气流尽量长时间的紧贴在叶片表面，同时让它们的能量尽可能被利用，

本专利技术至少需要在叶片根部构造一个新的平面形状的叶片后缘(见图2叶片根部的标识4)，该新的叶片后缘附近即是气流吸入区。打孔具***置和数量根据实际情况决定。该气流吸入区对于改善风力发电机的性能和效率提高起到非常大的作用。构造该气流吸入区所需要的材料也非常少。相对于传统的风力发电机叶片圆形的叶片根部，该设计造成的载荷提高微乎其微，因此并不需要在根部做结构上的强化。构造的新的叶片后缘可以一直扩展到叶片根部和轮毂连接的地方。该设计可以让风机在风速很小的时候就开始运转，从而让更多的风能转化成电能。设计会造成叶片根部区域叶片宽度的增加，但是仍然不会超过更改设计之前叶片根部的最大深度。还需在叶片根部密封叶片后缘与后缘腹板之间的区域，在叶片尖部密封整个尖部区域，目的是形成叶片后缘密封腔体。

该设计的一个特别大的优势是叶片根部的宽度并没有增加多少，叶片的运输难度和方法可以和传统的叶片是一样的。该设计使用的材料和制造叶片材料相同。

本设计也可以在叶片根部采用Wortmann翼型来构造平面的叶片根部后缘区，这样可以改善叶片根部的气流流动。特别推荐的Wortmann翼型FX77-W-500，FX77-W-400，FX77-W-343.

允许的话可以在叶片根部的前缘也按Wortmann翼型来构造新的前缘，从而进一步改善叶片根部的 气流流动。这样的设计会进一步优化风力发电机的性能，因为这样的设计会保证气流在叶片根部很大区域内都是层状流动，而不会因为发生湍流而造成能量损失。

气流在根箱上表面的吸入位置，首选靠根箱后缘。这样的话会相对更早的影响气流的边界层，并让气体尽可能时间长的附在叶片表面上流动，可以有效地让叶片根部上表面的气流完全贴紧在该区域。在根箱上表面的气流吸入可以和根箱后缘的气流吸入结合起来，这样的话效率会提得更多。

本发明专利需要在叶片下表面构造射流区(见图，叶片下表面叶身射流孔12)，会明显的提高气流在叶片表面流动的性能，减少边界层分离，提高升阻比，在该区域是打孔。导流板会加快射流速度，同时会破坏该区域涡流，增强边界层吸附。

本专利发明需要在叶尖构造小翼及排气区，如图6。小翼和叶片内部相通，空气从小翼的者后缘位置排出。排气口的位置应该设计成NACA-Hutze的形状(内部空间大，出口相对细)。如果排气口太大的话，排出来的气体和它们的能量就没什么作用。小翼还有一个特别的作用就是减少翼尖涡流。该涡流普遍存在于传统设计的叶片的尖端。

气体可以通过设置在排气区域的孔洞和/或槽来排出，外轮廓为齿状，该形状对于降低噪声非常有用。特别是齿状轮廓和内部的孔洞结合起来会非常有效的较少来自气流的噪声，从而可以减少对环境的噪音污染。齿状轮廓可以对排出的气体起到调匀的作用。即使小翼设计得很小，也可以起到非常好的排气作用。而且齿状轮廓非常容易制造，采用切割或者研磨工艺都可以实现。排出的空气排出会让叶片表面的空气以及边界层加速，从而为边界层带来额外的能量。

为了进一步改善风力发电机的性能以及减少风力发电机的启动风速，可以在气流导管中安装辅助装备来激活边界层影响。通过该辅助装备可以让气流从吸气区到排气区或者方向传输。这种辅助装备可以是泵，换气扇，吹风机或者能起到类似作用的设备。辅助吹风设备的开启可由主控***控制。

翼刀来改善风力发电机的性能，翼刀和扰流板可以影响气流，减少叶片根部的尾流湍流，减少升力损失。

在上述所有改善风能发电机性能的方案中提到的安装部件都可以后续安装。为了能够让传统设计的叶片性能进行有效的改善，至少下面三个组件是必要的：1)，叶片根部的平面形状的后缘，该部件可以基于正常的圆形截面形状的叶片加以改造。2)，叶尖的气流排放区。3)，叶身射流区域。这些部件可以采用传统的连接方法安装在叶片上。这些方法包括层压法，螺栓连接，粘合或者类似的连接方法。

附图说明

图1，传统的叶片设计示意图。

图2，本专利的叶片设计发明示意图。

图3，本专利的根箱吸风槽及气流导管示意图。

图4，本专利的叶片叶身射流孔及导流板示意图。

图5，本专利的叶片后缘密封腔体示意图。

图6，本专利的叶片叶尖小翼示意图。

图7，本专利的鼓风机及其安放位置示意图。

附图标记列表

1 叶片下表面

2 叶片前缘

3 叶片后缘

4 根箱(根部外置后缘)

5 吸风区域(吸气孔)

7 后缘密封腔体

8 轮毂固定处

9 吸风槽

10 小翼

11 齿状排气区域

12 叶片下表面叶身射流孔

13 叶身导流板

14 翼刀

15 扰流板

16 气流导管。

Claims (4)

1.本专利发明包括一种风力发电叶片技术以及相应的气流传输控制方法，用来提高风力发电机发电量和降低叶片旋转产生的噪声。

2.本专利技术至少需要在叶片根部构造一个新的平面形状的叶片后缘(见图2叶片根部的标识)，该新的叶片后缘是气流吸入区。该气流吸入区对于改善风力发电效率起到非常大的作用。

3.本专利发明需要在叶尖构造排气区，首先位置需求：在叶片的背风区(如图，4)或者新添加的小翼上。从叶片上表面排出的空气排出会让叶片表面的空气以及边界层加速，从而为边界层带来额外的能量。

4.本专利发明还需要可以后续安装在叶片内部的鼓风机用来增大射流强度。