[发明专利]一种基于仿生凹凸前缘结构的流动分离控制方法

说明书

本发明提供了一种基于仿生凹凸前缘结构的流动分离控制方法，所述方法用于控制风电叶片叶展中部及叶根区域流动分离，所述方法包括如下步骤：S1：测试仿生凹凸前缘风力机翼型的气动性能；S2：进行气动性能优化设计，得到凹凸前缘结构尺寸；S3：结合风电叶片设计平台，设计风电叶片并完成校验；S4：根据S2获得的凹凸前缘结构尺寸，制作凹凸前缘结构，将所述凹凸前缘结构安装在S3获得的风电叶片上。本发明所提供的基于仿生凹凸前缘结构的流动分离控制方法，通过将风电叶片大厚度叶展位置处的前缘设计成凹凸结构，并通过粘接的方式实现前缘凸起结构与风电叶片前缘表面的连接，通过这种方法实现了对流动分离的有效抑制。

技术领域

本发明属于工程应用技术领域，具体涉及一种基于仿生凹凸前缘结构的流动分离控制方法。

背景技术

近年来，风力发电的优势被越来越多的人所接受，特别是海上风电的发展，风电机组大型化成为主要的发展趋势。大型风电机组的单机容量更大，单位造价相对更低，并且，大型风电机组能够更好的适应风资源集中分布的资源条件。风电机组大型化使得风电叶片的长度不断增加，叶片的结构强度要求更为突出，在风电叶片在保证结构强度的前提下，仍然具有较好的空气动力学性能是叶片设计过程中一个主要障碍。

风力机翼型是组成风电叶片的基本元素，其气动性能和流动特性直接影响风电机组的高效、稳定运行。根据风电叶片不同叶展位置处的需求，风力机翼型在设计过程中要对气动力性能和结构性能进行权衡。对于风电叶片靠近叶尖侧区域的翼型，气动力性能要比结构性能更为重要，大都采用高升阻比的薄翼型，以此来获得良好的气动性能，提高叶片的风能利用效率。而风电叶片叶展中部区域以及靠近叶根侧区域的翼型，对结构强度的要求更高，采用厚度较大翼型以有效提高叶片的结构性能，这些翼型的相对厚度一般都大于30％。大厚度的定义是发展变化的，相对厚度在40％以上的翼型可以称之为“大厚度”风力机翼型。风电机组大型化引起叶片气动和结构之间的矛盾问题可以通过风电叶片根部附近采用大厚度翼型的方法得以缓解。并且随着风电机组大型化的发展，风电叶片叶根附近的翼型对发电量的贡献越来越重要，这也进一步促使了大厚度风力机翼型的发展。

然而，如图7所示，风电叶片叶展中部区域以及靠近叶根侧区域的厚翼型，入流攻角往往较大，并且由于上表面较大的曲率和翼型尾缘处较大的负压力梯度导致叶片表面较早的发生流动分离，这使得叶展中部区域以及叶根侧区域产生较低的升力和较高的阻力，引起叶片气动性能下降，从而降低了风电机组的发电效率。因此，对于叶展中部区域以及靠近叶根侧区域的大厚度风电叶片，具有较大的升力值和良好的失速特性有助于维持较高的气动性能，并能够防止叶片出现结构破坏等问题。国内外对于大厚度风力机翼型气动性能改善方法的研究较少，目前，针对风电叶片叶展中部区域以及靠近叶根侧区域所面临的严重流动分离问题并未提出有效的控制方法，多数的流动分离控制方法均未得到广泛的工程应用，大都基于风力机翼型的实验研究阶段，多采用对称加厚的方法对翼型尾缘进行钝化处理，并且通过研究分析发现，钝尾缘方法对大厚度翼型的气动性能和失速特性起到明显的改善作用。此外，在叶片表面增加气动附件也能够起到改善叶片气动性能的作用，例如涡流发生器、尾缘襟翼以及扰流板等被动控制方法。

现有技术中的流动分离控制技术主要包括主动控制与被动控制两类。其中，主动控制方法通过将外部的能量引入至叶片表面流体中，使流体保持不分离，较为常见的主动控制方法包括循环控制、合成射流、吹吸气流动控制以及等离子体扰动等方法，但是，主动控制方法存在较明显的缺点，首先，主动控制方法的结构较为复杂，生产成本较高，并且，在风电叶片前期实际的安装过程中对技术的要求较高。此外，由于风电叶片恶劣、多变的运行环境，主动控制方法复杂的装置系统也在很大程度上增加了后期运维的成本；其次，由于主动控制方法需要外部提供能量，进而导致了额外的能量损耗，基于提高大型风电叶片发电效率的目的，通过大量的外部能量供应来实现流动控制会降低控制方法整体的经济效益；最后，大型风电叶片的工作环境较为复杂、多变，风电机组来流的风速与风向时刻发生变化，主动控制方法对风况的响应速度与系统信号的传输精度也很难满足风电叶片的工作需求。