[发明专利]一种具有波浪形涡流发生器的风机叶片及其设计方法

说明书

本发明公开的一种具有波浪形涡流发生器的风机叶片及其设计方法，属于风力发电技术领域。包括在叶片前缘侧的叶片吸力面上设置的若干波浪形涡流发生器；波浪形涡流发生器包括直角三角形的基板，基板的水平直边与叶片吸力面连接，基板的斜边上设有若干弓形翅片，若干弓形翅片的弧长沿竖直边侧至水平直边侧递减，且所有弓形翅片被同一切线相切；斜边最下端为无弓形翅片区域；波浪形涡流发生器成对对称设置，弓形翅片朝向来流方向，两个波浪形涡流发生器偏转相同的角度且前端朝对称平面轴靠拢。该结构能够更充分地搅动分离器内的气流，增加了近壁面气流的动量与能量，总体上更为有效地实现了延迟叶片的失速并提升叶片升力。

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种具有波浪形涡流发生器的风机叶片及其设计方法。

背景技术

近年来，风力发电行业正在快速发展。由于风向与风速的随机性，风机叶片易在短时间内运行在大攻角工况，导致叶片表面出现气流分离现象，同时，叶根多采用厚翼型来满足强度要求，在大攻角下其叶根也容易发生气流分离，导致叶片性能下降。对于风机叶片而言，新技术的研发用以提升叶片的气动性能并实现机组发电量的提升，是必需的。在风机叶片的众多提质增效技术中，涡流发生器(vortex generation，简称VG)是相对成熟且广泛应用的技术之一。

涡流发生器的工作原理是在风机叶片的运转过程中涡流发生器会在与叶片表面相邻的近壁面区域产生高强度的翼尖涡，其与下游低能量的边界层流动实现混合后便把能量传递给边界层，使得处于逆压梯度中的边界层流动获得了附加能量从而能够继续沿着叶片表面向下游流动，即导致叶片失速的气流分离被延迟或抑制，并且可以提升叶片的升力。涡流发生器对于叶片气动性能的提升是显而易见的。

国际与国内多年来对涡流发生器的研究亦比较全面，申请或授权了相关的较多专利，例如国际专利W02006/122547A1申请了在叶片的背风侧面处安装涡流发生装置；西北工业大学的刘刚数值模拟了涡流发生器的剖面形状、安装方式和几何尺度等因素在叶片分离流动控制中的影响等。总体而言，对于风机叶片来说，涡流发生器合理的外形设计与安装位置优化可以减弱对叶片前缘腐蚀或脏污的敏感性，降低叶片载荷与振动，有效提升发电量。

但是，现有的研究主要集中于剖面形状为三角形的涡流发生器，以及涡流发生器的安装位置与布置优化，相比之下，对其它形状的涡流发生器的气动特性提升性能研究较少。实际上，基于数值模拟方法观察到，良好设计的特定的涡流发生器的剖面形状和安装，可以更好地发挥涡流发生器在诱导高强度翼尖涡与传递能量给下游边界层流体的预期作用，具有更好的提升风机叶片气动性能的效果。

发明内容

为了解决上述现有问题，本发明的目的在于提供一种具有波浪形涡流发生器的风机叶片及其设计方法，能够更充分地搅动分离器内的气流，增加了近壁面气流的动量与能量，总体上更为有效地实现了延迟叶片的失速并提升叶片升力。

本发明通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种具有波浪形涡流发生器的风机叶片，包括在叶片前缘侧的叶片吸力面上设置的若干波浪形涡流发生器；波浪形涡流发生器包括直角三角形的基板，基板的水平直边与叶片吸力面连接，基板的斜边上设有若干弓形翅片，若干弓形翅片的弧长沿竖直边侧至水平直边侧递减，且所有弓形翅片被同一切线相切；斜边最下端为无弓形翅片区域；波浪形涡流发生器成对对称设置，弓形翅片朝向来流方向，两个波浪形涡流发生器偏转相同的角度且前端朝对称平面轴靠拢。

优选地，斜边最上端的弓形翅片为半圆弓形。

优选地，无弓形翅片区域的长度为弓形翅片半径的1～2倍。

优选地，基板底边的长度为高度的1.5～4倍。

优选地，波浪形涡流发生器的偏转角度为15°～25°。

优选地，一对波浪形涡流发生器前端的顶点间距为基板高度的1.5～2.5倍。