一种结合了增功、降噪、防雷功能的后缘装置及安装方法与流程

本发明涉及风力发电机组风轮叶片技术领域，具体涉及一种结合了增功、降噪、防雷功能的后缘装置及安装方法。

背景技术：

通过大量对叶片雷击破坏案例的调研发现，风电叶片在旋转运行中，附近电磁场会随着叶片旋转发生变化，最终导致雷击不一定会落在叶尖位置，而是落在叶尖一定距离范围的后缘位置。当前的接闪器一般都是在叶尖和后缘分散设置的，发生上述情况时，雷击很大概率不能落在接闪器上，如将易发生雷击的叶尖后缘位置布置连续分布的接闪器，必将大幅提升接闪效率。

叶尖后缘位置也是增功、降噪部件的安装位置，当前在叶片上安装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，根据叶片气动性能，格尼襟翼主要分布在叶片长度三分之二到叶尖直接的后缘位置。叶片的噪声主要产生在叶片后缘，因此降噪部件也布置在叶片的后缘位置。

考虑到实现上述三种功能的部件都集中安装在叶尖段的后缘部分，如能将这三种功能能联合实现，不仅可以避免不同部件之间互相干涉、简化工艺、提高结构的可靠性，还大大扩大接闪区域，大幅提高接闪率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种结合了增功、降噪、防雷功能的风力发电叶片后缘装置及安装方法，以解决上述背景中提出的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种结合了增功、降噪、防雷功能的后缘装置，所述装置同时具有风电机组增功，叶片降噪，叶片防雷三种功能；并采用其特定的布置，实现装置整体的增功，降噪，叶片主动引雷，防止叶片主体雷击的能力。

其中，所述的后缘装置为板状部件，其可采用两种结构形式：l型或平板型板状部件，在叶片上至少安装一种或两种同时安装。

其中，所述的后缘装置其增功能力是利用该装置安装在叶片的后缘，增大后缘的扫风面积及后缘增加反向涡流的理论上实现的。降噪能力是将该部件的尖端设计为锯齿形。防雷能力是将在增功部件的基础上内嵌或外贴超薄金属片及金属镀层实现，另外，后缘装置也可以整体使用金属材质；

其中，所述的后缘装置其降噪及防雷性能也可通过另一种形式实现，在装置的一侧设置锯齿型毛刷，锯齿型毛刷为含有金属丝的毛刷，另一侧粘接在叶片壳体上，粘接宽度采用10-100mm范围；

其中，所述的后缘装置主体安装在叶片压力面后缘，装置一端与叶尖接闪器或铝叶尖连接，另一端连接到叶身接闪器或叶片主体防雷导线上；

其中，所述防雷导线，一端连接防雷降噪增功部件，一端连接到叶身主体接闪器或叶片主体防雷导线；

其中，所述l型防雷降噪增功装置，采用l外形，其中，水平边用于同叶片壳体的粘接，竖直边加工成锯齿型，高度采用10mm-100mm范围；

其中，所述平板型防雷降噪装置，安装在叶片压力面后缘，采用平板外形，平板一侧加工成锯齿形状或锯齿型毛刷，锯齿型毛刷为含有金属丝的毛刷，另一侧粘接在叶片壳体上，粘接宽度采用10-100mm范围；

其中，所述l型防雷降噪增功装置和平板型防雷降噪装置，根据不同的气动功能的需求，安装在叶片不同展向位置的压力面后缘，以取得最优结果；

其中，所述l型防雷降噪增功装置和平板型防雷降噪装置，相邻两装置间使用金属件连接，保证部件之间导通性。

其中，采用联合设计的方式对两种装置的布局进行优化，确定l型防雷降噪增功装置安装位置和范围后，依据叶片翼型的气动特性、叶片尾缘气流特点，辅助使用平板型防雷降噪装置，达到最优的防雷、降噪、增功效果。

另外，本发明还公开了一种结合了增功、降噪、防雷功能的风力发电叶片后缘装置的设计和布置方法。

(1)、在叶片后缘使用一种或两种后缘装置优化组合对风力发电机组进行防雷、降噪、增功，所述后缘装置包括l型防雷降噪增功装置和平板型防雷降噪装置；

(2)、通过对叶片气动特性的深入研究，确定两种部件的组合和准确定位；

(3)、采用联合设计的方式对两装置的布局进行优化，确定l型防雷降噪增功装置安装位置和范围后，依据叶片翼型的气动特性、叶片尾缘气流特点，辅助使用平板型防雷降噪装置，达到最优的防雷、降噪、增功效果。

其中，所述l型防雷降噪增功装置安装在叶片压力面后缘，展向可分布在叶片长度三分之二到叶尖位置，结合工程算法优化其安装位置，作用在于增加了翼型后缘处有效弯度，提供截面设计工况下的升力系数达到增加气动效率的目的。其锯齿结构也可以有效的改善叶片尾缘涡的脱落特性，从而可以达到降低噪声的效果。

其中，所述平板型防雷降噪装置安装在叶片压力面后缘，展向可分布在叶片长度三分之二到叶尖位置，其主要作用是通过后缘锯齿结构有效的改善叶片尾缘涡的脱落特性，从而可以达到降低噪声的效果，同时增加了叶片的弦长，也有一定程度的增功作用。

其中，根据仿真计算，雷击大概率发生在靠近叶尖5m的位置，当雷电流较小时也会出现在靠近叶尖20m范围的任意位置，当赋予降噪、增功的后缘装置接闪功能后，大大提高了叶片的接闪面积和区域，可有效的防护整只叶片。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果。

相比传统的增功、降噪和防雷功能单独实现的方案，本发明三个功能统一实现，主要有以下优点和有益效果。

1、三功能统一实现，避免不同装置直接的干涉，简化了安装工艺，提高了结构的可靠性；

2、三功能统一实现，施工周期和成本也大大降低，容易推广、利于产业化推进；

3、外置防雷系统相对当前埋入内腔的防雷导线，更适合叶片旋转状态，提高了防雷系统接闪率，减少了叶片与机组的雷击破坏，从而提高了机组的使用寿命。

4、增加了接闪面积，提高了接闪效率。

附图说明

图1所示为本发明提出的l型后缘装置的结构示意图；

图2所示为本发明提出的平板型的结构示意图；

图3为图1中l型后缘装置的安装示意图；

图4为图2中平板型后缘装置安装示意图；

图5为l型防雷降噪增功装置和平板型防雷降噪装置在叶片后缘的分布情况。

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，既包括某一部件与另一部件直接连接，也包括某一部件通过其他部件与另一部件相连接。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。

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。

如图1-图5所示，本发明提供了一种结合了增功、降噪、防雷功能的后缘装置及安装方法，叶片压力面后缘不同展向区域同时安装l型增功降噪防雷装置1和平板型降噪防雷装置2中的一种或两种，以实现最优化的增功降噪防雷功能。

首先，根据叶片气动性能、气流特点、雷击特点确定两种后缘装置分布区域，再结合风场实际风况的特性进行优化设计，对两种后缘装置的外形尺寸、分布区域进行调整，在实现增功、降噪、防雷功能的基础上，通过优化设计各装置的分布区间，提高装置工艺性和可靠性。

增功功能的主要依据风场实际风况、机组的功率曲线、叶片气动外形等进行设计，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。

叶片的噪声是由叶片与稳态来流相互作用形成边界层与尾流，由此造成的气流波动产生的，包括湍流边界层尾缘噪声，层流边界层脱落涡噪声，分离流噪声，钝尾缘噪声和叶尖涡噪声。其中湍流边界层尾缘噪声是风力机高频噪声的主要来源，可以表示为：

式中，spp，sps分别为压力面和吸力面湍流边界层尾缘噪声；分别为压力面和吸力面尾缘边界层位移厚度；ma，l，re，d分别为马赫数、展向长度、测试距离和指向性函数；stp，sts，st1分别为压力面和吸力面基于边界层卫衣厚度的斯特劳哈尔数、经验斯特拉哈尔数；a为谱形状函数；k1，δk1为修正因子的经验常数。

为了揭示大型风力发电机叶片雷击接闪机理，我们设计实施了大尺度长间隙放电试验，并仿真计算相结合,解释了现有叶片接闪系统防护效果差以及叶片本体雷电击穿损伤的原因，提出新型接闪防雷系统的设计方案。

通过建立不同装机容量不同叶片旋转角度的风力发电机附近电场三维计算程序，计算获得了雷电下行先导趋近风力发电机过程中，叶片表面电场沿叶片不同位置的变化规律；以及随着雷电流幅值增加，叶片表面电场的变化规律。结果表明，越靠近风力发电机叶片叶尖，表面电场指数增强，由于风力发电机3只叶片结构分布的影响，靠近叶片根部电场较为均匀。雷击试验同时证明在本体放电击穿过程中，均会伴随着沿面放电的现象。沿面放电的路径包括两种：从叶片边缘(前缘或尾缘)发展至放电击穿点、沿着叶片内部接地引线的敷设方向。

根据上述试验和仿真结果，通过设计金属叶尖、金属尾缘一体化的叶片接闪器系统，可以实现对叶片雷击电流的有效接闪，并且保证叶片气动、结构性能的影响在允许范围内。

根据上述算法、风洞试验、雷击试验确定了最优增功效果的l型防雷降噪增功装置的尺寸及安装区域ac，确定起到最优降噪效果的平板型防雷降噪装置的尺寸及安装区域bd，则最终在区域ac安装l型防雷降噪增功装置，在区域cd安装平板型防雷降噪装置；

防雷降噪增功装置和平板型防雷降噪装置，使用非金属材料加超薄金属片或非金属材料加金属镀层构成。非金属材料可以使用asa，金属材料使用铜。

选择ab两点中更靠近叶根的一点，如附近有叶身接闪器，则将l型防雷降噪增功装置或平板型防雷降噪装置与叶身接闪器相连，如无接闪器则与叶身主防雷导线相连；将d点的平板型防雷降噪装置与叶片原铝叶尖或叶尖接闪器相连。

l型防雷降噪增功装置和平板型防雷降噪装置同叶片的粘接方式采用包含并不限于结构胶粘接胶或压敏胶进行粘接，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。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，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。