[发明专利]控制叶片表面流动流体分离的装置

说明书

技术领域：

本发明涉及一种控制流动流体分离的方法，特别是一种利用簧片控制叶片表面流动流体分离的装置。

背景技术

随着经济的持续快速增长，能源供应和环境保护之间的矛盾日益突出。保护生态环境，促进资源节约与环境友好型社会的建设，是我国经济增长方式转变的重要内容，也是我们每个人应该努力承担的社会责任。大力发展可再生清洁能源，促进能源结构的调整，对我国经济社会的可持续发展具有重要意义。

在众多可再生能源中，风能分布范围广泛，最具有大规模开发与利用的潜力，因此风力发电受到了人们越来越多的关注，成为目前国际上可再生能源利用中发展最快的清洁能源。世界风能协会(WWEA)的统计数字显示：1997年到2006年的10年间，世界风力发电装机容量增长10倍，其中，2006年世界新增风电装机容量比2005年增长了25％。世界风能协会预计，到2010年底，全球风电装机容量将达到1.6亿千瓦。因此，风能作为未来能源结构中重要组成部分的战略地位已受到世界各国的普遍重视。近年来，我国的风电发展异常迅速，据统计，到2007年底，我国的风电装机容量已达到500万千瓦，只用了两年的时间就完成了国家十一五计划的目标。

随着风电机组单机容量的增大，叶片越来越长，重量越来越大，为了满足叶片的强度要求，叶片从根部到中部之间只能采用相对厚度较大的翼型。在运行过程中，即使采用变桨、变速等调控措施，这类叶片的攻角在某些位置仍然很大，导致叶片吸力面发生流动分离，升阻比降低，从而降低风能利用率，因此，延缓或控制叶片表面的流动分离对提高的气动性能尤为重要。

叶片表面的分离流动问题研究首先是从机翼开始的，后来才被逐步推广到扩压器、压气机叶片、涡轮叶片。为了延缓或控制流动分离，提高升阻比或减小流动损失，研究者们已经提出了不少行之有效的方法，如涡流发生器、失速带、粗糙带、定常吸气、振荡射流及无质量射流等，这些方法都能一定程度地抑制或控制流动分离，达到了增升减阻之目的。近年来，随着风能利用技术的迅速发展，流动分离的控制理论与方法在叶片的设计中越来越受到重视，涡流发生器、失速带等抑制或控制流动分离的措施已经被广泛用于大型叶片上。

涡流发生器(Vortex Generators)是20世纪中期首先由美国学者Taylor以专利的形式提出的。一般来讲，常规的平板式或小翼涡流发生器都是以适当的迎角垂直安装在机翼或叶片的吸力面边界层内，该涡流发生器能产生升力并伴随较强的翼尖涡，由于其展弦比小，翼尖涡相对较强。这种高能量的翼尖涡与其下游低能量的附面层流动混合后，把能量传递给附面层，从而抑制附面层的分离。图1是涡流发生器产生涡流的机理示意图。

如图2所示，其中，失速带1，涡流发生器2。失速带(Stall Strip)1安装在叶片前缘驻点，它能控制叶片的失速特性，使失速之后的特性平缓，并减缓由失速引起的叶片振动。目前，失速带1与涡流发生器2已经在实际的叶片上得到了应用。

在叶片表面的适当位置，粘贴一定粗糙度的粗糙带，可以引起局部湍流强度加大，抑制或推迟流动分离，实现增升减阻的目的。

以上这些在叶片表面安装附加结构的流动控制方法，通常称为被动控制方法。这类方法简单实用，但是在没有流动分离的工况下，分布于叶片表面上的这些“小颗粒”导致了额外的阻力。此外，这些附加结构的形状、安装位置、尺寸等与叶片的几何形状密切相关，如何设计最佳的叶片几何形状及相应的附加结构，实现最佳的流动控制效果，还需要更为系统与深入的研究。

还有一类流动控制方法通常称为主动控制方法。采用声波来控制叶片表面的流动分离，激励声波作用在紊流附面层上，将诱发产生大尺度有序结构涡，这些涡沿流动方向发展、破碎，同时又诱发附面层中的紊流度加大，从而抑制、推迟或减弱流动分离；利用定常吸气的方法抽掉叶片吸力面附面层内的低能流体，从而使主流更贴近叶片表面，增加叶片吸力面附近流体动能，控制流动分离；采用旋涡喷射器将涡流射入附面层，加大附面层内的湍流强度，抑制流动分离；翼型表面附加振荡扰流可以在一定条件下改善翼型失速的气动性能；用零质量射流来扰动翼型表面的局部流场，从而达到抑制流动分离、推迟翼型失速的目的。

以上这些流动主动控制方法，因其诱人的应用前景正在受到越来越多的关注。研究者们希望通过控制局部的流动，达到延缓流动分离或改善气动性能的目的。但是，这类主动控制方法需要增加气路、控制器、执行机构及电源等，有的方法还需要较大的能量输入。

发明内容