一种渐缩截面涡流发生器及其安装方法与流程

本发明涉及风力发电设备领域，特别涉及一种渐缩截面涡流发生器。

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，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。如图1所示常见的涡流发生器结构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。关于翅片的形状，目前也有不少专利公布了不同的设计方案。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。

现有涡流发生器与流动方向存在一个夹角，由于该夹角的存在，增大了翅片在垂直于流动方向上的投影，增加了形状阻力。由于涡流发生器的翅片为“八”字型布置，将会导致翼型的阻力系数增加，进而影响涡流发生器的整体增功效果。但若没有此夹角，气流平行掠过涡流发生器翅片，翅片诱导的顺气流涡结构十分微弱，对尾迹的扰动十分有限，抑制流动分离效果不佳。

技术实现要素：

本发明的目的是为了降低涡流发生器自身引入的流动阻力，同时也能产生足够的“翼尖涡”来抑制叶片ss面(背风面)或ps面(迎风面)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。

为了达到上述目的，本发明提供了一种渐缩截面涡流发生器，所述涡流发生器具有两端开口的空心结构；涡流发生器第一端和涡流发生器第二端均为开口端，涡流发生器第一端为流动进口端，涡流发生器第二端为流动出口端；涡流发生器垂直于其中心线的截面面积从涡流发生器第一端向涡流发生器第二端渐缩；涡流发生器的内、外型面从涡流发生器第一端向涡流发生器第二端平滑过渡；涡流发生器的中心线平行于气流流动方向，其外型面固定粘贴在风电叶片外型面。所述中心线为涡流发生器第一端端面中心和涡流发生器第二端端面中心的连线。

涡流发生器第一端端面、涡流发生器第二端端面、涡流发生器两端之间任意位置垂直于涡流发生器中心线的截面为相同或互不相同的任意形状或其组合。

涡流发生器第二端指向其下游风电叶片表面的流动分离区。

多个所述涡流发生器呈一字型的分布粘贴在叶根至叶尖的型面上。

各所述涡流发生器的厚度从叶根到叶尖逐渐减小。

各所述涡流发生器两端的间距从叶根到叶尖逐渐减小。

涡流发生器在叶片截面弦长上的投影，以风电叶片前缘为起点，落在风电叶片截面弦长的10％-60％之间。

所述渐缩截面涡流发生器，还包含粘贴板，通过粘贴方式连接设置在涡流发生器和风电叶片之间，多个涡流发生器通过粘贴板固定粘贴在风电叶片背风面叶根段的型面。

所述涡流发生器采用塑料注塑一体成型。

一种涡流发生器的安装方法，用于安装本发明所述的涡流发生器，包含步骤：

s1、调整风电叶片，使得风电叶片处于便于施工的姿态；

s2、在风电叶片的外型面测量并标记粘贴板的安装位置；

s3、将多个涡流发生器粘贴在粘贴板上表面；将粘贴板下表面粘贴在安装位置；保证涡流发生器的中心线平行于气流流动方向，涡流发生器第二端指向其下游风电叶片表面的流动分离区；涡流发生器的厚度、涡流发生器两端的间距从叶根到叶尖逐渐减小；

s4、密封涡流发生器与粘贴板连接的缝隙处，保证缝隙处平滑过渡；

s5、固化放置安装了涡流发生器的风电叶片。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用沿流向渐缩截面的结构，使得流动在流经涡流发生器后，在渐缩截面的作用下产生相对高速的气流。高速气流对下游叶片表面的流动产生扰动，从而抑制叶片表面的流动分离，延缓失速。由于渐缩截面在垂直于流向方向上存在一定面积的投影，因此气流在流经涡流发生器时将产生一个垂直叶片型面向上的作用力，即沿叶片型面法向向上的作用力，该作用力可以提高叶片的升力，增加发电量。

通过将本发明的涡流发生器用于风电叶片叶根部分，用于延迟失速，抑制叶根三维流动，可有效提高年发电量0.5％～5％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。

本发明的涡流发生器可以有效的延迟翼型风电叶片表面流动失速，延迟失速攻角1～15°左右，提高升阻比10％～400％。将本发明的涡流发生器应用于厚翼型风电叶片的叶根部分，提高气动性能的效果更佳，

通过将本发明的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0.5～5db。

本发明结构简单，安装方便，应用效果好，具有很好的推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，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为现有技术的涡流发生器示意图；

图2、图3为本发明的第一个应用实施例中，涡流发生器两端均为圆形示意图；

图4、图5为本发明的第二个应用实施例中，涡流发生器两端均为方形示意图；

图6、图7为本发明的第三个应用实施例中，涡流发生器两端均为三角形示意图；

图8、图9为本发明的第四个应用实施例中，涡流发生器第一端为方形、涡流发生器第二端为圆形示意图；

图10、图11为本发明的第五个应用实施例中，多个本发明的涡流发生器安装在粘贴板上示意图；

图12、图13、图14为本发明的第五个应用实施例中，多个本发明的涡流发生器安装在风电叶片外型面示意图；

图15是风电叶片结构示意图；

图16为本发明的涡流发生器从叶根至叶尖在风电叶片曲线布局示意图；

图17为本发明的涡流发生器从叶根至叶尖在风电叶片折线布局示意图；

图18为本发明的涡流发生器从叶根至叶尖在风电叶片按直线错排布局示意图；

图19为本发明的涡流发生器在叶片截面弦长上的投影示意图；

图中：1、叶尖；2、叶根；3、涡流发生器；4、风电叶片；5、粘贴板；6、叶片截面弦长；7、风电叶片前缘；8、风电叶片后缘；9、叶片截面。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

风电叶片4结构如图15所示。一台风力发电机通常安装如图15所示的三个风电叶片4。如图15所示，风电叶片4的两端分别为叶根1和叶尖2，叶根连接风电叶片的风轮轮毂。垂直于风电叶片的方向为法向，叶根1至叶尖2的方向为展向；从风电叶片前缘7指向风电叶片后缘8的方向为气流流向。图13对应于图15虚线框所示部分。

如图2～图9所示，本发明提供一种渐缩截面涡流发生器，所述涡流发生器3具有两端开口的空心结构，采用塑料注塑一体成型；涡流发生器第一端和涡流发生器第二端均为开口端，涡流发生器第一端为流动进口端，涡流发生器第二端为流动出口端；涡流发生器第一端端面中心与涡流发生器第二端端面中心的连线为涡流发生器的中心线；涡流发生器3垂直于所述中心线的截面面积从涡流发生器第一端向涡流发生器第二端渐缩；涡流发生器第二端端面面积小于涡流发生器第一端端面面积。涡流发生器3的内、外型面从涡流发生器第一端向涡流发生器第二端平滑过渡；涡流发生器3的中心线平行于气流流动方向，其外型面固定粘贴在风电叶片4外型面。

涡流发生器第一端端面、涡流发生器第二端端面、涡流发生器两端之间任意位置垂直于中心线的截面可以是相同或互不相同的任意形状或其组合。如图2、图3所示，在本发明的第一个应用实施例中，涡流发生器两端均为圆形。如图4、图5所示，在本发明的第二个应用实施例中，涡流发生器两端均为方形；如图6、图7所示，在本发明的第三个应用实施例中，涡流发生器两端均为三角形。如图8、图9所示，在本发明的第四个应用实施例中，涡流发生器第一端为方形、涡流发生器第二端为圆形。如图10～图12所示，在本发明的第五个应用实施例中，涡流发生器两端为圆形与三角形的组合。在本发明的第六个应用实施例中，涡流发生器第一端为方形，涡流发生器第二端为圆形，涡流发生器中部垂直于中心线的截面为三角形。

如图14所示，涡流发生器第二端指向涡流发生器3流向下游的风电叶片外型面，保证由涡流发生器3产生的高速气流从涡流发生器第二端流出后对准流向下游叶片表面的流动分离区。

可以将多个所述涡流发生器3呈一字型的分布粘贴在叶根2至叶尖1的型面上。较优的，涡流发生器3的安装位置在叶片分离线附和转捩线附近，涡流发生器3沿着叶片的分离线或者转捩线粘贴。较优地，涡流发生器3在叶根2处沿着分离线粘贴，叶尖处沿着转捩线粘贴。如图16至图18所示，涡流发生器3的布局方式可呈一字形曲线、折线、错排分布。

从叶根2到叶尖1，多个所述涡流发生器3的相对厚度、涡流发生器两端的间距(既涡流发生器3的长度)逐渐减小。在本发明的应用实施例中，较优的，涡流发生器3的相对厚度为4％～55％。涡流发生器3的厚度从叶根2到叶尖1逐渐减小。叶尖处涡流发生器相对厚度优选为4％～25％。涡流发生器长度优选为50mm～2000mm，安装在叶尖1的涡流发生器长度优选为50mm～500mm。

较优的，涡流发生器气动中心到叶片的距离为5mm～1000mm。

叶片截面9如图19所示。涡流发生器3在叶片截面弦长6(如图中线段ab所示)上的投影c，以风电叶片前缘7(既a点)为起点，(图中b点对应风电叶片后缘8)落在风电叶片截面弦长6的10％-60％之间，既ac＝0.1ab:0.6ab。

如图10、图11所示，所述渐缩截面涡流发生器3，还包含粘贴板5，通过粘贴方式连接设置在涡流发生器3和风电叶片4之间，在本发明的应用实施例中，粘贴板5为矩形。

较优的，涡流发生器3的安装仰角(涡流发生器3的外轮廓轴线与粘贴板5的夹角)在-10°～30°范围内最优；在叶尖1位置，涡流发生器3的安装仰角优选为-5°～5°。

一种涡流发生器的安装方法，用于安装本发明所述的涡流发生器3，包含步骤：

s1、调整风电叶片4，使得风电叶片4处于便于施工的姿态；

s2、在风电叶片的外型面测量并标记粘贴板5的安装位置；

s3、将多个涡流发生器3粘贴在粘贴板上表面；将粘贴板下表面粘贴在安装位置；保证涡流发生器的中心线平行于气流流动方向，涡流发生器第二端指向其下游风电叶片表面的流动分离区；涡流发生器3的厚度、涡流发生器3的长度从叶根2到叶尖1逐渐减小；

s4、密封涡流发生器3与粘贴板5连接的缝隙处，保证缝隙处平滑过渡；

s5、固化放置安装了涡流发生器3的风电叶片4。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用沿流向渐缩截面的结构，使得流动在流经涡流发生器3后，在渐缩截面的作用下产生相对高速的气流。高速气流对下游叶片表面的流动产生扰动，从而抑制下游叶片表面的流动分离，延缓失速。由于渐缩截面在垂直于流向方向上存在一定面积的投影，因此气流在流经涡流发生器3时将产生一个垂直叶片型面向上的作用力，即沿叶片型面法向向上的作用力，该作用力可以提高叶片的升力，增加发电量，尤其适用于低风速区、地空气密度区域风场。本发明还可降低风机叶片的气动噪声。本发明结构简单，安装方便，应用效果好，具有很好的推广价值。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。