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CN110206680A - 一种涡流发生器、风机叶片及其制造方法 - Google Patents

一种涡流发生器、风机叶片及其制造方法 Download PDF

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李海涛
赵大文
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Abstract

本发明公开了一种涡流发生器、风机叶片及其制造方法，其中涡流发生器包括至少一对开设于叶片上的凹槽，当气流流经凹槽附近时，在凹槽作用下产生高能旋涡，所述高能旋涡向下游发展，扰动叶片上表面的气流。本发明具备当前涡流发生器的主要功能，可以产生足够的涡流扰动来抑制翼型表面的流动分离，提升翼型的升阻比，提高叶片的气动性能，降低叶片的流动噪声，增加风力发电机年发电量，同时兼备成本低、可靠性高等特点。

Description

一种涡流发生器、风机叶片及其制造方法
技术领域
本发明涉及风机发电叶片领域，特别涉及一种涡流发生器、风机叶片及其制造方法。
背景技术
现代风力发电机叶片上通常会安装若干涡流发生器(vortex generator，简称VG)，用于产生高能翼尖涡，抑制翼型上表面流动分离，延迟失速，提高发电量。典型的涡流发生器结构如图1所示。其包括两个对称分布的翅片及一个底座，翅片通常垂直于底座且与流动方向呈一定夹角，各个专利已经公开了若干翅片2’的形状，如图2a～2e所示。涡流发生器的几何外形在流场中产生类似飞机机翼尖部的翼尖“涡”，翼尖“涡”通过旋转将边界层外部高速流体能量带入到边界层内，增加了边界层克服逆压梯度的能力，延迟了流动边界层的分离点，涡流发生器增加了叶片运行工况内的最大升力系数，提高了升阻比，进而提高了风能捕捉效率。
现有涡流发生器基本的结构均是在叶片表面附着一些气动结构，最简单的结构如翅片，在此基础上，翅片的结构和形状发生多种进化，如变化为背鳍状，鸟巢状等。不管是什么样的气动附件结构，其安装均较为繁琐，整体叶片需要安装大量的涡流发生器单元，通常采用胶接的形式安装，后期运行过程中易老化和脱落，可靠性较低。当前涡流发生器附件从生产，定位，粘贴到安装均需要要耗费大量成本和工序，且对粘贴技术的可靠性有着较高的要求。此外，气动附件也增加了叶片的整体成本和重量。
发明内容
本发明的目的是提供一种涡流发生器、风机叶片及其制造方法，其具备当前涡流发生器的主要功能，可以产生足够的涡流扰动来抑制翼型表面的流动分离，提升翼型的升阻比，提高叶片的气动性能，降低叶片的流动噪声，增加风力发电机年发电量，同时兼备成本低、可靠性高等特点。
为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种涡流发生器，包括：至少一对开设于叶片上的凹槽，当气流流经凹槽附近时，在凹槽作用下产生高能旋涡，所述高能旋涡向下游发展，扰动叶片上表面的气流。
优选地，所述的凹槽长度为10mm～500mm，凹槽深度为10mm～100mm。
优选地，一对所述的凹槽对称分布于所述的叶片上。
优选地，所述的凹槽头部相连，使得来流经过凹槽头部后分离为两股流动，扩大气流扰动范围。
优选地，所述的凹槽尾端相连，使得两个凹槽内的流动在凹槽尾端合并为同一股流动，提高气流能量。
优选地，所述的凹槽的内侧壁与叶片表面平滑过渡。
根据本发明又一实施例，一种风机叶片，包括：
多个上述之涡流发生器；以及，
叶片本体；
多个所述的涡流发生器分别布置于叶片本体表面。
优选地，所述的流发生器与叶片本体一体灌注成型。
根据本发明又一实施例，一种风机叶片的制造方法，所述的方法包括：
根据上述的涡流发生器的设计尺寸生产若干个定位模块，所述定位模块与所述涡流发生器的凹槽相适配；
根据涡流发生器在叶片表面的定位，得到涡流发生器在叶片模具中的安装位置，并将定位模块粘贴至安装位置处；
在叶片模具上对玻璃纤维进行逐段铺层、放置夹心材料、再次铺层，并真空灌注到脱模；
对脱模后的叶片进行后处理。
优选地，所述涡流发生器的安装位置为：
涡流发生器在叶片模具吸力面或压力面上的安装位置。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.本发明通过在叶片表面去除材料形成特殊的三角形状腔体结构，流动在流经腔体时会产生高能涡流，用于抑制下游流动分离，延缓失速。
2.本发明的涡流发生器在叶片成型阶段与叶片同时成型，避免了现有了工序下，后期的贴片流程。工序减少，成本降低，叶片生产周期加快。
3.相比现有的涡流发生器，减材成型VG的方法降低了叶片重量。
4.本发明的涡流发生器可以有效的延迟翼型表面流动失速，延迟失速攻角2～5゜左右，提高升阻比10％～50％，靠近叶根部分的厚翼型的提高气动性能的效果更佳，本发明涡流发生器用于叶根部分，用于延迟失速，抑制叶根三维流动，可有效提高年发电量1％～2％左右，对于低风速区、地空气密度区域风场，提高发电量效果更好。
5.本发明涡流发生器用于叶尖到叶根范围，可降低风机叶片的气动噪声，降低噪声为1～2dB。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为常见的涡流发生器结构图；
图2a～2e为各种不同形状的涡流发生器；
图3为本发明涡流发生器的结构示意图；
图4为图3的局部示意图；
图5为本发明涡流发生器的又一结构示意图；
图6为图5的局部示意图；
图7为本发明涡流发生器的又一结构示意图；
图8为图7的局部示意图；
图9为本发明涡流发生器的局部放大图；
图10a、10b为本发明风机叶片的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合图3～图10，以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
图3示出了本发明涡流发生器的结构示意图，如图3并结合图4所示，所述的涡流发生器10包括：一对开设于叶片20上的凹槽101，具体地，该凹槽201在叶片表面成型为特殊形状，从叶片表面开始扩展至叶片内部一定距离，当气流流经凹槽101附近时，在凹槽101作用下产生高能旋涡，所述高能旋涡向下游发展，扰动叶片20上表面的气流，延缓气流分离，从而延迟叶片的失速。需要说明的是，上述的特殊形状为两个凹槽呈对称或者非对称分布。
进一步地，上述凹槽101长度为10mm～500mm，最优为30mm～60mm，凹槽深度为10mm～100mm，最优为240～60mm。
图5示出了本发明涡流发生器的又一结构示意图，如图5并结合图6所示，两个对称分布的凹槽101可以合并为一个类似三角形的凹槽，具体地，将两个对称分布的凹槽头部相连，形成一正八字型，此时该凹槽的前端可以将来流以较低阻力分离为两部分流动，其具有较大的气流扰动范围。
图7示出了本发明涡流发生器的又一结构示意图，如图7并结合图8所示，两个对称分布的凹槽101可以合并为一个类似三角形的凹槽，具体地，将两个对称分布的凹槽尾端相连，形成一倒八字型，此时两个凹槽内的流动将会在凹槽的尾端合并为同一股流动，其具有较大的能量。
需要说明的是，可以根据具体工况决定是否选用“正八字型”或者“倒八字型”。
图9示出了本发明涡流发生器的局部放大图，如图9所示，上述凹槽内侧壁1011与叶片表面平滑过渡，可以理解为该凹槽内侧面的边缘平滑过渡到叶片表面。该结构可以减小应力集中，同时降低流动流经涡流发生器时的流动阻力，以“正八字型”分布的涡流发生器为例，优化后的形状如图9所示。
图10a、10b为本发明实施例提供的风机叶片的结构示意图，如图10a、10b所示，本实施例中，该风机叶片20包括多个上述的涡流发生器201以及叶片本体202，可以通过具体工作需要对涡流发生器在叶片本体的表面上进行合理的布局，即可以均匀或者不均匀的分布于叶片本体202表面。
需要说明的是，上述叶片本体202和涡流发生器201在模具内同时铺层一体灌注成型。
本发明实施例提供的风机叶片，与上述实施例提供的涡流发生器具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
以上结合图7描述了本发明实施例的风机叶片。进一步地，本发明还公开了一种风机叶片的制造方法，包括如下步骤：
S1，根据上述涡流发生器的设计尺寸设计生产若干个定位模块，该定位模块与本发明的涡流发生器凹槽可无缝互补装配；
S2，根据涡流发生器在叶片表面的定位，得到涡流发生器在叶片模具中的安装位置，并将定位模块粘贴至安装位置处。
具体地，根据涡流发生器在叶片表面的定位图纸，在叶片模具吸力面(SS面)或者压力面(PS面)上测量出涡流发生器的安装位置，将准备好的定位模块粘贴至叶片模具的固定位置。
S3，在叶片模具上对玻璃纤维进行逐段铺层、放置夹心材料、再次铺层，并真空灌注到脱模，脱模后得到一体成型的叶片。
S4，对脱模后的叶片进行后处理，具体地，对脱模后的叶片进行打磨和后处理，最后涂油漆层完成生产。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”、“第二”、“第三”等关系术语(如果存在)仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”、“包含”、“具有”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种涡流发生器，其特征在于，包括：至少一对开设于叶片上的凹槽，当气流流经凹槽附近时，在凹槽作用下产生高能旋涡，所述高能旋涡向下游发展，扰动叶片上表面的气流。
2.如权利要求1所述的涡流发生器，其特征在于，所述的凹槽长度为10mm～500mm，凹槽深度为10mm～100mm。
3.如权利要求1所述的涡流发生器，其特征在于，一对所述的凹槽对称分布于所述的叶片上。
4.如权利要求3所述的涡流发生器，其特征在于，所述的凹槽头部相连，使得来流经过凹槽头部后分离为两股流动，扩大气流扰动范围。
5.如权利要求3所述的涡流发生器，其特征在于，所述的凹槽尾端相连，使得两个凹槽内的流动在凹槽尾端合并为同一股流动，提高气流能量。
6.如权利要求1-5任一项所述的涡流发生器，其特征在于，所述的凹槽的内侧壁与叶片表面平滑过渡。
7.一种风机叶片，其特征在于，包括：
多个如权利要求1-6任一项所述之涡流发生器；以及，
叶片本体；
多个所述的涡流发生器分别布置于叶片本体表面。
8.如权利要求7所述的风机叶片，其特征在于，所述的流发生器与叶片本体一体灌注成型。
9.一种风机叶片的制造方法，其特征在于，所述的方法包括：
根据如权利要求1-6任一项所述的涡流发生器的设计尺寸生产若干个定位模块，所述定位模块与所述涡流发生器的凹槽相适配；
根据涡流发生器在叶片表面的定位，得到涡流发生器在叶片模具中的安装位置，并将定位模块粘贴至安装位置处；
在叶片模具上对玻璃纤维进行逐段铺层、放置夹心材料、再次铺层，并真空灌注到脱模；
对脱模后的叶片进行后处理。
10.如权利要求9所述的风机叶片的制造方法，其特征在于，所述涡流发生器的安装位置为：
涡流发生器在叶片模具吸力面或压力面上的安装位置。
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