本发明属于结构控制与电气控制领域，具体涉及一种垂直轴风力机叶片组件及其合成射流控制方法。
背景技术：
在环境保护的大趋势下，风能利用技术受到各国广泛关注，垂直轴风力机作为一种风能利用装置，将风能转化为电能。垂直轴风力机相比水平轴风力机具有以下优势：①无需对风；②运行噪声较低；③成本较低；④运行更稳定。相反，垂直轴风力机具有以下缺点：①效率低②自启动困难③叶片攻角周期性大幅变化④叶片尾涡、转轴尾涡及叶尖涡相互作用导致流场结构极其复杂。
由于垂直轴风力机的各种缺点，其亟待一种流动控制技术改善其流场结构及运行稳定性。主动流动控制技术(Active flow control,AFC)由于局部能量输入从而获得局部或全局流场结构的改善，可有效地减小因流动分离而产生的气动损失，也可减小尾涡强度，对垂直轴风电场机组效率有着重大意义。因此，AFC技术成为研究热点之一。高效且实用的AFC技术主要包括：传统的吹/吸气流动控制技术、合成射流流动控制技术及强制喷流流动控制技术。
只要有障碍物，就有涡，即使是流线型叶片，也有涡。更何况在大攻角下，尾涡(分离涡)更大。如果能在一定攻角下，控制小涡配对过程，使得小涡无法配对成大涡，即可实现控制分离涡的目的，显然垂直轴风力机尾迹也可得到控制。之前很多文献都是基于翼型研究的，很少关于扑翼、水平轴风力机叶片、垂直轴风力机叶片中利用合成射流技术的相关文章。故本发明将此合成射流激励器应用于垂直轴风力机叶片中，目的在于以最小的能耗达到最优的控制效果。
但是，现有技术中的吹吸气流动控制方案还存在不足之处：需要附加气源、管路和控制阀门，因而造成增加较多的额外重量以及由于结构复杂引起的系统可靠性下降。合成射流又称零质量射流，合成射流激励器(synthetic jet actuator,SJA)利用压电薄膜反复振荡进行周期性吹/吸气，将消耗的电能转化为流体动能，相比传统的吹/吸气流动控制具有无需气源、控制灵活、结构紧凑等显著优点。另外由于其低成本、尺寸较小且射流吹气系数较大，其具有一定的工程实用价值。因此，合成射流流动控制技术得到各国学者的广泛关注，但多数研究成果专注于对航空翼型的研究，针对风力机的研究很少，应用于垂直轴风力机的相关研究极少。然而，垂直轴风力机叶片攻角随方位角周期性大幅变化，传统合成射流流动控制技术已不再适用于垂直轴风力机，需设计一种合成射流激励器的输出功率随叶片攻角变化的控制方法。
技术实现要素：
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种垂直轴风力机叶片组件及其合成射流控制方法。
本发明提供了一种垂直轴风力机叶片组件，设置在垂直轴风力机底座上，具有这样的特征，包括：多个叶片本体，每个叶片本体的上下两端通过固定杆件固定在垂直轴风力机的转轴上；合成射流激励器，沿叶片本体的叶高方向均匀串列设置在叶片本体中；以及多个射流孔，设置于叶片本体的尾缘处，其中，合成射流激励器包括：壳体，呈正方体形，设有上开口和下开口，上开口的截面面积大于下开口的截面面积；压电薄膜，呈正方形，覆盖于下开口，且尺寸与下开口相匹配；射流通道，与上开口连通，且尺寸与上开口相匹配；压电驱动器，设置于压电薄膜的下方，在矩形脉冲信号驱动下发生逆压电效应，从而驱动正方形压电薄膜产生周期性的上下振动，引起正方腔体中的空气随之振动，进而在射流通道中产生周期性吹吸气效应，将消耗的电能转化为流体动能；以及控制箱，设置于转轴上方，且与压电驱动器电连接，用于向压电驱动器输入矩形脉冲信号。
在本发明提供的垂直轴风力机叶片组件中，还可以具有这样的特征：其中，叶片本体的个数为3个。
在本发明提供的垂直轴风力机叶片组件中，还可以具有这样的特征：其中，射流孔的个数不少于10个。
在本发明提供的垂直轴风力机叶片组件中，还可以具有这样的特征：其中，矩形脉冲信号的频率范围为10Hz～5kHz。
在本发明提供的垂直轴风力机叶片组件中，还可以具有这样的特征：其中，射流通道的中心线与叶片的弦向的射流角δ为15°～90°。
在本发明提供的垂直轴风力机叶片组件中，还可以具有这样的特征：其中，控制箱包括：风速仪，用于测量来流风速；转速仪，用于测量所述叶片本体的转速；角位移传感器，用于测量叶片本体方位角的变化值；数据处理器，用于处理测量得到的风速、转速和角位移；以及矩形脉冲信号发生器，用于发出矩形脉冲信号。
本发明还提供了一种垂直轴风力机叶片组件的合成射流控制方法，具有这样的特征，包括如下步骤：
步骤1，根据射流孔的起始位置参数判断叶片本体的起始方位角处于吸力面还是压力面，若叶片本体的起始方位角判断为处于吸力面，则开启合成射流激励器；若判断为处于压力面，则关闭合成射流激励器；
步骤2，采用风速仪测量得到来流风速，采用转速仪测量得到叶片本体的转速，采用数据处理器根据来流风速以及叶片本体的转速得出尖速比；
步骤3，由尖速比以及射流孔的起始位置参数获得控制函数的形状参数，再通过角位移传感器得出叶片本体方位角的变化值，结合叶片本体方位角的变化值与控制函数的形状参数，得出此时对应的吹气射流系数Cμ；
步骤4，判断吹气射流系数Cμ是增大、减小还是减为0，若变为0，则回到步骤1至3；
步骤5，根据吹气射流系数Cμ的变化对矩形脉冲信号进行变幅或者变频；
步骤6，将变幅或变频后的吹起射流系数Cμ输入至矩形脉冲信号发生器中，从而发出矩形脉冲信号，并将该矩形脉冲信号输入至合成射流激励器中的压电驱动器发生逆电反应，使压电薄膜随之振动。
在本发明提供的合成射流控制方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中的射流孔的起始位置参数为起始方位角。
在本发明提供的合成射流控制方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤3中的控制函数为Lamuda型、分段线性、Sin型、上开口抛物线型函数。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的垂直轴风力机叶片组件及其合成射流控制方法，因为采用的压电薄膜反复振荡按照一定函数规律进行周期性变幅/变频吹吸气，将消耗的电能转化为流体动能，且频率或幅度随垂直轴风力机叶片攻角变化，而将传统合成射流控制策略应用于垂直轴风力机时，因为在小攻角时叶片仅需较小流动控制，在压力面时叶片无需流动控制，所以传统合成射流控制策略相比本发明所涉及的合成射流控制策略更为耗电。
本发明控制合成射流激励器在叶片攻角较小时，降低压电薄膜振动幅度或频率，在叶片攻角较大时(需要流动控制技术去改善叶片流场结构，增加叶片稳定性)，则增加压电薄膜的振动幅度或频率，抑制叶片分离涡的产生。故本发明具有耗电较低，可抑制分离涡的产生，减小尾迹强度，保持甚至提升垂直轴风力机气动性能，可提升垂直轴风力机风电场的机组效率，加强了对高品质风能区域的土地利用率。
另外，施加合成射流激励器的直线翼垂直轴风力机叶片，合成射流激励器以一定间距串列在叶片尾缘表面下方，因为射流在离开射流通道时，受射流通道壁面的剪切效应，射流会沿叶高正负方向有一定扩散，此种设计也充分考虑了大型压电薄膜耗电量大的特点，采用串列布置小型激励器的办法。在翼型结构设计中，通常认为改善尾缘附近的流场结构可使压力分布的改善影响至前缘附近流场，因此本发明将合成射流激励器布置在叶片尾缘表面下方，流体从射流通道吹至叶片尾缘附近的流域。
附图说明
图1是本发明的实施例中的施加合成射流激励器的垂直轴风力机二维示意图；
图2是本发明的实施例中的整机系统示意图；
图3是本发明的实施例中的施加合成射流激励器的垂直轴风力机叶片示意图；
图4是本发明的实施例中的合成射流激励器示意图；
图5是本发明的实施例中的控制系统示意图；
图6是解释本发明设计缘由及理论基础的示意图；
图7是本发明的实施例中的Lamuda型合成射流控制函数及其示意图；
图8是本发明的实施例中的分段线性合成射流控制函数及其示意图；
图9是本发明的实施例中的Sin型合成射流控制函数及其示意图；
图10是本发明的实施例中的上开口抛物线合成射流控制函数及其示意图；
图11是本发明的实施例中的Lamuda实际控制方法示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
图1是本发明的实施例中的施加合成射流激励器的垂直轴风力机二维示意图，图2是本发明的实施例中的整机系统示意图，图3是本发明的实施例中的施加合成射流激励器的垂直轴风力机叶片示意图。
如图1-3所示，一种垂直轴风力机叶片组件，设置在垂直轴风力机底座104上，包括：多个叶片本体100，合成射流激励器300和多个射流孔106。
多个叶片本体，叶片本体101、叶片本体102和叶片本体103的上下两端通过固定杆件固定在垂直轴风力机的转轴105上。
叶片本体的个数为3个，且弦长为85.8mm，翼型选取NACA0021翼型。
图4是本发明的实施例中的合成射流激励器示意图。
如图4所示，合成射流激励器300，沿叶片本体的叶高方向均匀串列设置在叶片本体中。
叶高方向指当安装于地面时，垂直于地表的方向。
合成射流激励器300包括：壳体，压电薄膜，射流通道，压电驱动器和控制箱。
壳体，呈正方体形，设有上开口和下开口，上开口的截面面积大于下开口的截面面积。
压电薄膜304，呈正方形，覆盖于下开口，且尺寸与下开口相匹配。
射流通道207，与上开口连通，且尺寸与上开口相匹配。
射流通道207的中心线与叶片的弦向的射流角δ为15°～90°，当射流角小于90°时，射流通道207具有一定喷管效应。
Hjet为合成射流激励器300中腔体301的高度，其高度范围为叶片本体101的弦长的1％～5％；SH为合成射流激励器300中腔体301的高度位置参数，是直接影响斜出口206长度的重要参数，其长度范围为叶片本体101的弦长的0.5％～1％；Djet为合成射流激励器300中腔体301的边长，其边长是Hjet的200％；D0为合成射流激励器300中放气通道口306的出口圆形直径，其直径范围为叶片本体101的弦长的0.1％～0.4％。在本实施例中，δ为45°；Hjet为叶片本体101的弦长的2％,SH为叶片本体101的弦长的0.5％；Djet为叶片本体101的弦长的0.4％，D0为叶片本体101的弦长的0.1％。
压电驱动器305，设置于压电薄膜304的下方，在矩形脉冲信号驱动下发生逆压电效应，从而驱动压电薄膜304产生周期性的上下振动，引起腔体301中的空气随之振动，进而在射流通道207中产生周期性吹吸气效应，将消耗的电能转化为流体动能。
控制箱107，设置于转轴105上方，且与压电驱动器305电连接，用于向压电驱动器305输入矩形脉冲信号。
控制箱107包括：风速仪，用于测量来流风速；转速仪，用于测量所述叶片本体的转速；角位移传感器，用于测量叶片本体方位角的变化值；数据处理器，用于处理测量得到的风速、转速和角位移；以及矩形脉冲信号发生器，用于发出矩形脉冲信号。
矩形脉冲信号的频率范围为10Hz～5kHz。
多个射流孔106，设置于叶片本体的尾缘处。
尾缘是根据流动方向来定的，如附图1中的叶片本体101的来流方向向右，那么叶片的左边方向为前缘，右边为尾缘，叶片本体101若反过来，此时几乎没有气动性能。
前缘处的叶片较厚。
尾缘处的叶片厚度有所收缩，且由于现代工艺限制，一般具有很小的钝尾。
射流孔106的个数不少于10个，为圆形。
在叶片中，串列的射流孔106对称均匀布置在叶片本体尾缘附近，串列位置距前缘0.7倍弦长处，合成射流激励器300数量为56个，对应的射流孔也有56个。
合成射流激励器300布置于叶片本体101表面的下方，且在外界具有流速的空气中工作为例，设气体不可压缩，当压电薄膜304沿-y方向振动时，腔体301内气体压强降低，外界附近气体由于射流斜出口处的压差再加上流体动压，从而“吸入”腔体301内，当压电薄膜304沿+y方向振动时，腔体301内气体受到压缩，腔内压力瞬间增加，气体又会经由射流斜出口206排出，在气体吹吸交替过程中，射流孔壁面对射流产生强烈的剪切效应，在出口处就会产生类似“羊角”的旋涡对，一侧壁面使一侧流体产生一个旋涡，另一侧壁面使另一侧流体产生另一个旋涡，旋涡对迅速远离叶片本体101表面，并随外界流体向翼型尾缘上方耗散出去，最后融于来流风中。当进入下一个吸气过程时，前一对旋涡对不受此次吸气影响。如此交替吹吸，源源不断的动能输入至叶片本体101尾缘表面，增强了尾涡耗散率，极大地影响边界层表面的小涡配对过程，在射流斜出口206附近生成的涡直接被射流冲破。从而推迟了边界层分离，若产生了较为严重的流动分离，在一定条件下，使下洗流体重新附着于叶片本体101的表面205。总而言之，这些附着于吸力面且具有一定动能的流体都有助降低吸力面静压，提高升力，改善压力分布，从而提升风力机气动性能。
图5是本发明的实施例中的控制系统示意图。
如图5所示，一种垂直轴风力机叶片组件的合成射流控制方法，包括如下步骤：
步骤1，根据射流孔106的起始位置参数判断叶片本体的起始方位角处于吸力面还是压力面，若所述叶片本体的起始方位角判断为处于吸力面，则开启所述合成射流激励器300；若判断为处于压力面，则关闭所述合成射流激励器300；
步骤2，采用风速仪测量得到来流风速，采用转速仪测量得到叶片本体的转速，采用数据处理器根据所述来流风速以及所述叶片本体的转速得出尖速比λ，其函数关系式为：
其中，n为转速，单位为转/分钟；V∞为来流风速，单位为m/s；R为风力机旋转半径，单位为m；
步骤3，由所述尖速比λ以及所述射流孔106的所述起始位置参数获得控制函数的形状参数，再通过角位移传感器得出叶片本体方位角的变化值，结合所述叶片本体方位角的变化值与所述控制函数的形状参数，得出此时对应的吹气射流系数Cμ，其函数关系式为：
Cμ＝(hblow/c)g(ρjet/ρ∞)g(Vjet/V∞)2
其中，hblow为射流孔出口宽度，m；ρjet为射流孔气体密度，kg/m3；Vjet为射流孔出气速度，m/s；ρ∞为外界空气密度，kg/m3；
步骤4，判断所述吹气射流系数Cμ是增大、减小还是减为0，若变为0，则回到步骤1至3；
步骤5，根据所述吹气射流系数Cμ的变化对矩形脉冲信号进行变幅或者变频；
步骤6，将变幅或变频后的所述吹起射流系数Cμ输入至矩形脉冲信号发生器中，从而发出所述矩形脉冲信号，并将该矩形脉冲信号输入至合成射流激励器300中的压电驱动器发生逆电反应，使压电薄膜304随之振动。
步骤1中的所述射流孔106的起始位置参数为起始方位角。
步骤1中的起始方位角θ为0°。
步骤3中的控制函数为Lamuda型、分段线性、Sin型、上开口抛物线型函数。
图6是解释本发明设计缘由及理论基础的示意图。
如图6所示，垂直轴风力机叶片攻角α随方位角发生周期性大幅变化，当尖速比λ越大时，叶片最大攻角越小，当尖速比λ越小时，叶片最大攻角越大，叶片流动分离越为严重，流场结构越复杂。本发明就是为了减缓在低尖速比下的叶片流动分离情况。下式是图6所示的叶片攻角α随叶片方位角θ变化关系式：
实施例一：
图7是本发明的实施例中的Lamuda型合成射流控制函数及其示意图。
如图7所示，图中
当射流孔106处于叶片压力面时关闭射流，处于吸力面时开启射流，并以一定工作频率吹/吸流体；控制压电薄膜的振幅，也可控制激励器激励频率，使射流吹气系数Cμ随叶片有效攻角增大而增大，在零升攻角时射流吹气系数Cμ为0。结合图1，射流孔1-1起始位置处于叶片压力面，而射流孔1-2起始位置处于叶片吸力面，故射流孔1-2应开启射流，且射流吹气系数Cμ大小应随图7中的Lamuda控制函数变化，而射流孔1-1应关闭射流。其余合成射流激励器300及其余射流孔106都应遵循本发明中控制方法。
实施例二：
图8是本发明的实施例中的分段线性合成射流控制函数及其示意图。
如图8所示，图中
当射流孔106处于叶片压力面时关闭射流，处于吸力面时开启射流，并以一定工作频率吹/吸流体；控制压电薄膜的振幅，也可控制激励器激励频率，使射流吹气系数随叶片有效攻角增大而增大，在零升攻角时射流吹气系数为0。结合图1，射流孔1-1起始位置处于叶片压力面，而射流孔1-2起始位置处于叶片吸力面，故射流孔1-2应开启射流，且射流吹气系数大小应随图8中的Lamuda控制函数变化，而射流孔1-1应关闭射流。其余合成射流激励器300及射流孔的射流吹气系数Cμ大小应随图8中的分段线性控制函数而变。
实施例三：
图9是本发明的实施例中的Sin型合成射流控制函数及其示意图。
如图9所示，图中
当射流孔106处于叶片压力面时关闭射流，处于吸力面时开启射流，并以一定工作频率吹/吸流体；控制压电薄膜的振幅，也可控制激励器激励频率，使射流吹气系数随叶片有效攻角增大而增大，在零升攻角时射流吹气系数为0。结合图1，射流孔1-1起始位置处于叶片压力面，而射流孔1-2起始位置处于叶片吸力面，故射流孔1-2应开启射流，且射流吹气系数大小应随图9中的Lamuda控制函数变化，而射流孔1-1应关闭射流。其余合成射流激励器及射流孔的射流吹气系数Cμ大小应随图5中的Sin型合成射流控制函数而变。
实施例四：
图10是本发明的实施例中的上开口抛物线合成射流控制函数及其示意图。
如图10所示，图中
当射流孔106处于叶片压力面时关闭射流，处于吸力面时开启射流，并以一定工作频率吹/吸流体；控制压电薄膜的振幅，也可控制激励器激励频率，使射流吹气系数随叶片有效攻角增大而增大，在零升攻角时射流吹气系数为0。结合图1，射流孔1-1起始位置处于叶片压力面，而射流孔1-2起始位置处于叶片吸力面，故射流孔1-2应开启射流，且射流吹气系数大小应随图10中的Lamuda控制函数变化，而射流孔1-1应关闭射流。其余合成射流激励器及射流孔的射流吹气系数Cμ大小应随图10中的上开口抛物线合成射流控制函数而变。
实施例五：
图11是本发明的实施例中的Lamuda实际控制方法示意图。
如图11所示，其曲线对应的初始θ为0，对应射流孔编号为1-2，其曲线对应的尖速比为2.62，由于风力机较小，转速较快，该合成射流工作频率固定为263Hz，振幅发生变化，黑色段为压电薄膜304振动一次的方位角范围，白色段为合成射流激励器300开始吸气的方位角范围。当θ＞π时，因为此时该射流孔106处于压力面，无需流动控制，应关闭合成射流激励器300。之后，合成射流激励器300应循环该过程。
实施例的作用与效果
根据实施例一至五所知，针对不同的叶片翼型，对于失速攻角较小的翼型，应采用分段线性或者Sin型合成射流控制策略；对于失速攻角较大的翼型，应采用上开口抛物线型；这三种控制策略的流动控制具有一定偏置，在叶片即将到达最大攻角时，就已达到最大的控制力度，可提早抑制涡的形成，在涡发展之前就先破坏了小涡配对过程，具有一定预防作用；而Lamuda型控制函数与叶片攻角随方位角变化的函数曲线类似，在叶片已处于大攻角时，才达到最大的控制力度，此时大涡已经形成，再进行控制，需要更大的吹气射流系数，故此种控制策略不能够很好地适应于垂直轴风力机，但本发明提出此种控制策略对今后的研究及相关研究的发展具有一定的指导意义，即垂直轴风力机的流动控制需要向前偏置。基于本实施例中的直线翼垂直轴风力机设计参数，经过大量的CFD软件FLUENT的模拟计算及验证下，得出以下结论：无论传统控制策略(幅度/频率不变)，还是创新的控制策略(变频/变幅)均可提升风能利用系数，传统控制策略最大可提升14.9％的风能利用系数，Lamuda型控制策略(Cμmax＝0.04)可最大提升12.3％的风能利用系数且相比传统控制策略耗电减少至57.42％，分段线性控制策略(Cμmax＝0.035)可最大提升14.1％的风能利用系数且耗电减少至70.30％，Sin型控制策略(Cμmax＝0.04)可最大提升13.9％的风能利用系数且耗电减少至56.91％，上开口抛物线控制策略(Cμmax＝0.035)可最大提升15.1％且耗电减少至80.1％。通过此数值模拟的结果同样可以得到垂直轴风力机的流动控制需要向前偏置这一结论，这可降低能量消耗，降低最大吹气射流系数，并且达到较好的控制效果，也具有提升效率的效果。因此，除Lamuda型控制策路以外的本发明中的三种控制策略均具有一定工程实际意义。
本实施例的垂直轴风力机叶片组件及其合成射流控制方法因为采用压电薄膜反复振荡进行周期性吹吸气，将消耗的电能转化为流体动能，且频率或幅度随垂直轴风力机叶片攻角变化，而将传统合成射流控制方法应用于垂直轴风力机时，因为在小攻角时叶片仅需较小流动控制，在压力面时叶片无需流动控制，所以该合成射流激励器无需气源，而且结构简单，尺寸较小且射流吹气系数较大，因而具有重量轻、流动控制效率较高以及控制灵活可靠的特点，且加快了尾涡耗散，减小风力机尾涡的强度，降低了风力机叶片的振动，提升了风力机的寿命。因为采用的控制箱内的控制系统能控制矩形脉冲信号的频率，所以能够调控合成射流激励器在不同的方位角时的流动控制强度。因此，将此垂直轴风力机叶片及其合成射流控制方法应用在垂直轴风电机组中，可使上游的垂直轴风力机尾迹对下游风力机的气动影响降低，从而提升整个风电机组的效率。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。