CN107084092A - 一种风力发电机组的联合增功结构以及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风力发电机组的联合增功结构以及方法，同时采用扰流板、涡流发生器、格尼襟翼三种增功附件的两种或三种对风电机组进行增功。而三种增功附件，依据叶片本体的几何外形首先对三种增功附件的尺寸进行优化设计；确定三者的外形尺寸后，结合风场实际风况的特性及风机运行情况采用联合设计的方式，对各项增功附件的布局进行优化。采用联合设计方式，可以消除或减弱仅使用一种增功附件的不利因素。另外，通过联合设计，可最大程度的提升风轮叶片的气动性能，进而提升机组的发电量。而采用增功附件进行发电量的提升，对于机组的载荷影响较小，且对于低空气密度，低风速区域，以及风速和风轮转速不匹配等情况增功效率显著。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电机组技术领域，尤其涉及一种风力发电机组的联合增功结构以及方法。
背景技术
为改善风电叶片的气动特性，在叶片上安装涡流发生器、扰流板、格尼襟翼等增功附件已经成为提升机组发电量的主要方法之一，相比于叶片延长增功方案，采用附件增功对于机组及其零部件的载荷影响较小，施工方便，成本回收期短，是一种性价比较高、风险较小的增功方式。目前，业界应用较为普遍的是单个附件进行增功，其中扰流器及涡流发生器较为广泛，已取得一定的增功效果。而对于上述三种附件联合增功的案例较少，据了解，联合增功效果欠佳，未能推广应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的不足，提供一种风力发电机组的联合增功结构以及方法。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种风力发电机组的联合增功结构，所述结构为在风电叶片上同时采用两种，或三种下述的增功附件的优化组合对风力发电机组进行增功，所述三种增功附件分别为扰流板、涡流发生器、格尼襟翼，所述扰流板安装在叶片压力面的最大弦长至叶根的范围内，所述涡流发生器安装在叶片吸力面距离前缘5％-50％的弦长范围内，所述格尼襟翼安装在叶片压力面的后缘。
优选地，所述涡流发生器的厚度使用0.5-3mm，高度根据叶片当地翼型采用10mm-150mm的范围，涡流发生器的当地攻角范围在8°到24°之间。
优选地，所述格尼襟翼采用L型外形，其中，水平边用于同叶片壳体进行粘接，格尼襟翼的高度采用10mm-100mm范围。
优选地，采用两种增功附件，所述两种增功附件为扰流板和涡流发生器，或者，为涡流发生器和格尼襟翼。
优选地，采用联合设计的方式对三种增功附件或两种增功附件的布局进行优化，确定一种增功附件的安装位置后，依据安装位置处各个切面的攻角、流场、压力及环量分布，再辅助使用其他一种或两种增功附件改变叶片当地翼型的气动特性，进一步的抑制气流分流，推迟失速点，增加当地翼型有效弯度，提升升力系数，达到最优的增功效果。
相应地，还提供了一种风力发电机组的联合增功方法，
SS1.在风电叶片上同时采用两种，或三种下述的增功附件的优化组合对风力发电机组进行增功，所述三种增功附件分别为扰流板、涡流发生器、格尼襟翼；
SS2.通过对叶片气动特性的深入研究，确定增功附件尺寸、三种增功附件组合及其准确定位；
SS3.采用联合设计的方式对三种增功附件的布局进行优化,确定一种增功附件的安装位置后，依据安装位置处各个切面的攻角、流场、压力及环量分布，再辅助使用其他一种或两种增功附件改变叶片当地翼型的气动特性，进一步的抑制气流分流，推迟失速点，增加当地翼型有效弯度，提升升力系数，达到最优的增功效果。
优选地，
所述扰流板安装在叶片压力面的最大弦长至叶根的范围内，所述扰流板作用是在压力面产生与翼型环量相反的分离涡提高截面的升力，并提升风轮的扭矩；
所述涡流发生器安装在叶片吸力面距离前缘5％-50％的弦长范围内，具体的，根据风洞试验数据以及整体数值仿真的方法确定其安装位置；涡流发生器的作用是其尖端产生的涡流能够从流体边界层的外侧吸收能量，注入到边界层内，从而达到增加边界层动能、抑制流动分离，失速延迟，提升最大升力系数；
所述格尼襟翼，安装在叶片压力面的后缘，通过对安装区域做三维数值仿真，结合工程算法优化其安装位置，格尼襟翼的作用在于增加了翼型后缘处的有效弯度，提高截面设计工况下的升力系数达到增加气动效率的目的。
优选地，在风电叶片上同时采用两种增功附件增功，具有如下两种方案：
扰流板与涡流发生器进行协同增功，由于叶片根部至过渡段区域相比叶尖区域翼型升阻性能欠佳，在低风速区时各切面攻角较大，气流分流点靠近前缘，气流分离较早，仅采用涡流发生器抑制气流分流增功效果不佳，因此在压力面辅助加装扰流板，增加当地翼型的有效弯度，产生与翼型环量相反的分离涡提高截面的升力，提升风轮的输出扭矩，从而达到协同增功的效果；
或者，
采用涡流发生器和格尼襟翼二者进行联合设计，使线性段的升力系数和失速段升力系数均得到提高，同时，翼型失速延迟，最大升力系数提升。
优选地，所述涡流发生器的厚度使用0.5-3mm，高度根据叶片当地翼型采用10mm-150mm的范围，所述涡流发生器的当地攻角范围在8°到24°之间。
优选地，所述格尼襟翼采用L型外形，其中水平边用于同叶片壳体进行粘接，格尼襟翼的高度采用10mm-100mm范围。
与现有技术相比，本发明的有益效果是:同时采用扰流板，涡流发生器，格尼襟翼三种增功附件的两种或三种对风电机组进行增功。而三种增功附件，依据叶片本体的几何外形首先对三种增功附件的尺寸进行优化设计；确定三者的外形尺寸后，结合风场实际风况的特性及风机运行情况采用联合设计的方式，对各项增功附件的布局进行优化。采用联合设计方式，可以消除或减弱仅使用一种增功附件的不利因素。另外，通过联合设计，可最大程度的提升风轮叶片的气动性能，进而提升机组的发电量。而采用增功附件进行发电量的提升，对于机组的载荷影响较小，且对于低空气密度，低风速区域，以及风速和风轮转速不匹配等情况增功效率显著。
附图说明
图1所示为本发明增功区域示意图；
图2所示为扰流板安装示意图；
图3所示为涡流发生器安装示意图；
图4所示为格尼襟翼安装示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
应当说明的是，本申请中所述的“连接”和用于表达“连接”的词语，如“相连接”、“相连”等，其既可以指代某一部件与另一部件直接连接，也可以指代某一部件通过其他部件与另一部件相连接。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
为优化三种附件联合增功的效果，我们进行了大量的风洞试验，确定了各增功附件之间的相对位置，并通过数值建模分析进行详细定位，最终确定联合优化增功方案。目前根据此方案应用到实际增功项目，增功效果良好，经过第三方验收合格，满足设计目标。
采用多种增功附件进行联合设计，可将某一种增功附件的不利因素降至最低，且多种增功附件的协同作用，可最大程度的提升发电效率，达到更理想的增功效果，形成有效的技改方案并推广应用。
如图1-图4所示，本发明提供一种风力发电机组的联合增功结构以及方法，同时采用扰流板1、涡流发生器2、格尼襟翼3三种增功附件两种或三种对风力发电机组进行增功。
首先对三种增功附件的尺寸进行优化设计；根据叶片的气动特性确定三者的外形尺寸后，再结合风场实际风况的特性采用联合设计的方式，对各项增功附件的布局进行优化。采用三种增功附件进行联合设计增功的方案，在对机组载荷影响较小的前提下，最大程度的提升风轮叶片的气动性能，对于低空气密度，低风速区域，以及风速和风轮转速不匹配等情况增功效率明显。
增功方案的计算主要依据风场实际风况、机组的实际功率曲线、叶片的气动外形特性，优化增功附件尺寸、组合方式以及安装位置。
依据实际功率曲线，实现增功的区域主要在风机额定功率以下的区域内。
首先结合风场的特性对风况进行分析，主要依据风场的年平均风速、空气密度以及风机的实际功率曲线进行多工况稳态气动特性分析，确定各增功附件的尺寸及初始安装位置。其中，影响机组功率的参数如以下公式所示：
其中,V:平均风速，CP：功率系数，η：系统效率，A:扫风面积。其中:CP＝f(λ,Re…)即功率系数是尖速比，湍流强度等因子的函数。
初步设计完成后，分析带有一种增功附件后叶片表面的流动状态，根据其流动特性进一步优化另一种增功附件的安装位置。最后综合分析两种方式配合后的流动特性改善情况，返回最初含一种增功附件进行迭代设计。直到达到设计目标。对于第三种增功附件安装位置的优化也采用上述方式进行两两配合或者三种情况配合，采用上述类似的优化方法。对三种增功附件进行优化设计。
首先，确定一种附件的安装位置,可用如下公式进行模拟：
其中，δ为涡源距离，D为排列周期。
再将其位置对于诱导速度的影响根据如下公式进行计算：
其中：v′，w′为空间任意一点的脉动速度分量。
扭角
相关速度
最后得到流场的阻力分布特征，如下式：
式中：Г为诱导涡的强度。
将其进行展向平均，根据k-w模型进行求解，则湍流动能的增加量为：
其中：ρ为空气密度
使用上述算法，对增功附件在叶片表面安装后，对流体动能改变量进行计算，如涉及到期其他附件，需要在此基础上，进行反复迭代。
增功附件扰流板、涡流发生器、格尼襟翼同叶片的粘接方式采用包含并不限于结构性胶粘剂或压敏胶进行粘接，叶片表面在粘接前进行表面处理，其处理方式包含并不限于清洁，打磨等操作。
如图1所示。其中，AB段属于高叶尖速比运行区，BC段为最优运行区，CD段为低尖速比运行区，DE段为额定运行区。气动附件增功主要提升AB，BC，CD三段的功率，从而实现对年发电量的提升。
对于涡流发生器及扰流板联合设计的方案,在叶片的过渡段区域，由于各切面攻角较大，吸力面气流分离点距前缘点较近，导致气流分离过早，气动效率很低。为最大限度的提升气动效率，可采用涡流发生器及扰流板组合增功方案。涡流发生器可使当地翼型失速延迟并提升最大升力系数，在此基础上加装的扰流板可增加翼型有效弯度，可进一步提升当地翼型的升力系数，进而提高叶片过渡段区域的发电量，降低机组的切入风速。从而达到协同增功的效果。
对于涡流发生器及格尼襟翼联合设计的方案在于其共同作用下，可使线性段的升力系数和失速段升力系数均得到提高。同时，翼型失速延迟，最大升力系数提升。
对于涡流发生器同格尼襟翼联合设计，在提升升力系数的同时阻力系数也呈现大幅提升。其中，小攻角情况下，二者耦合阻力系数大于大攻角情况。此两种增功附件的联合设计需要的两种的布局，以最大程度的发挥其有利方面。
优选的，扰流板主要安装在叶片压力面的最大弦长至叶根的范围内。如图2所示，用于提高叶片的过渡段厚翼型对于风轮扭矩的贡献。
优选的，扰流板外形采用T型，或L型外形，但不限于此外形。其中水平边用于同叶片壳体进行粘接。对扰流板的高度进行优化设计，采用100mm-400mm范围。
优选的，扰流板的粘贴曲线应进行光顺处理。
优选的，涡流发生器主要安装在叶片吸力面距离前缘5％-50％的弦长范围内，具体的，依据风洞试验数据以及数值仿真的方法进行计算得出优化安装位置。用于抑制流动分离，提升当地翼型的最大升力系数。涡流发生器在叶片上安装可以采用同一规格或不同规格大小的涡流发生器。不同切面的安装位置可以进行曲线过渡和直线过渡。也可以采用两种方式并用。
优选的，涡流发生器厚度使用0.5-3mm。高度根据叶片当地翼型可采用10mm-150mm的范围。涡流发生器攻角范围在8°到24°之间。
优选的，格尼襟翼，主要安装在叶片压力面的后缘，对安装区域做三维数值仿真，并结合工程算法优化其安装位置。主要作用在于增加了翼型后缘处的有效弯度。
优选的，格尼襟翼采用L型外形，但不限于此外形。其中水平边用于同叶片壳体进行粘接。对格尼襟翼的高度进行优化设计，采用10mm-100mm范围。
优选的，格尼襟翼采用锯齿状结构，用于降低阻力系数，提高升阻比。锯齿深度为襟翼高度的10％至90％。
优选的，本发明增功方式同时采用以上两种或三种增功附件，因各种气动附件的安装会产生相互影响，组合方式需要进行联合优化。其具体方式为：先依据叶片的运行情况优化一种增功附件的安装位置，再根据含该增功附件的叶片流动状态优化另一种增功附件的安装位置。采用两两或三种配合分析设计的方式进行联合设计。
优选的，增功附件扰流板、涡流发生器、格尼襟翼采用高分子材料或复合材料制备，具有一定的耐光老化，耐湿热环境，耐腐蚀等性能。并避免采用金属等具有导电性能的材料。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种风力发电机组的联合增功结构，其特征在于：所述结构为在风电叶片上同时采用两种，或三种下述的增功附件的优化组合对风力发电机组进行增功，所述三种增功附件分别为扰流板、涡流发生器、格尼襟翼，所述扰流板安装在叶片压力面的最大弦长至叶根的范围内，所述涡流发生器安装在叶片吸力面距离前缘5％-50％的弦长范围内，所述格尼襟翼安装在叶片压力面的后缘。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组的联合增功结构，其特征在于：所述涡流发生器的厚度使用0.5-3mm，高度根据叶片当地翼型采用10mm-150mm的范围，涡流发生器的当地攻角范围在8°到24°之间。
3.根据权利要求1所述的一种风力发电机组的联合增功结构，其特征在于：所述格尼襟翼采用L型外形，其中，水平边用于同叶片壳体进行粘接，格尼襟翼的高度采用10mm-100mm范围。
4.根据权利要求1所述的一种风力发电机组的联合增功结构，其特征在于：采用两种增功附件，所述两种增功附件为扰流板和涡流发生器，或者，为涡流发生器和格尼襟翼。
5.根据权利要求1所述的一种风力发电机组的联合增功结构，其特征在于：采用联合设计的方式对三种增功附件或两种增功附件的布局进行优化，确定一种增功附件的安装位置后，依据安装位置处各个切面的攻角、流场、压力及环量分布，再辅助使用其他一种或两种增功附件改变叶片当地翼型的气动特性，进一步的抑制气流分流，推迟失速点，增加当地翼型有效弯度，提升升力系数，达到最优的增功效果。
6.一种风力发电机组的联合增功方法，其特征在于：
SS1.在风电叶片上同时采用两种，或三种下述的增功附件的优化组合对风力发电机组进行增功，所述三种增功附件分别为扰流板、涡流发生器、格尼襟翼；
SS2.通过对叶片气动特性的深入研究，确定增功附件尺寸、三种增功附件组合及其准确定位；
SS3.采用联合设计的方式对三种增功附件的布局进行优化,确定一种增功附件的安装位置后，依据安装位置处各个切面的攻角、流场、压力及环量分布，再辅助使用其他一种或两种增功附件改变叶片当地翼型的气动特性，进一步的抑制气流分流，推迟失速点，增加当地翼型有效弯度，提升升力系数，达到最优的增功效果。
7.根据权利要求6所述的一种风力发电机组的联合增功方法，其特征在于：
所述扰流板安装在叶片压力面的最大弦长至叶根的范围内，所述扰流板作用是在压力面产生与翼型环量相反的分离涡提高截面的升力，并提升风轮的扭矩；
所述涡流发生器安装在叶片吸力面距离前缘5％-50％的弦长范围内，具体的，根据风洞试验数据以及整体数值仿真的方法确定其安装位置；涡流发生器的作用是其尖端产生的涡流能够从流体边界层的外侧吸收能量，注入到边界层内，从而达到增加边界层动能、抑制流动分离，失速延迟，提升最大升力系数；
所述格尼襟翼，安装在叶片压力面的后缘，通过对安装区域做三维数值仿真，结合工程算法优化其安装位置，格尼襟翼的作用在于增加了翼型后缘处的有效弯度，提高截面设计工况下的升力系数达到增加气动效率的目的。
8.根据权利要求6所述的一种风力发电机组的联合增功方法，其特征在于：在风电叶片上同时采用两种增功附件增功，具有如下两种方案：
扰流板与涡流发生器进行协同增功，由于叶片根部至过渡段区域相比叶尖区域翼型升阻性能欠佳，在低风速区时各切面攻角较大，气流分流点靠近前缘，气流分离较早，仅采用涡流发生器抑制气流分流增功效果不佳，因此在压力面辅助加装扰流板，增加当地翼型的有效弯度，产生与翼型环量相反的分离涡提高截面的升力，提升风轮的输出扭矩，从而达到协同增功的效果；
或者，
采用涡流发生器和格尼襟翼二者进行联合设计，使线性段的升力系数和失速段升力系数均得到提高，同时，翼型失速延迟，最大升力系数提升。
9.根据权利要求6所述的一种风力发电机组的联合增功方法，其特征在于：所述涡流发生器的厚度使用0.5-3mm，高度根据叶片当地翼型采用10mm-150mm的范围，所述涡流发生器的当地攻角范围在8°到24°之间。
10.根据权利要求6所述的一种风力发电机组的联合增功方法，其特征在于：所述格尼襟翼采用L型外形，其中水平边用于同叶片壳体进行粘接，格尼襟翼的高度采用10mm-100mm范围。
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