基于等离子体合成射流的风力机叶片及控制方法与流程

本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及基于等离子体合成射流的风力机叶片及控制方法。

背景技术：

流动控制技术常用于航空航天领域，近年来，逐渐发展运用于风电行业。等离子体合成射流是一种主动流动控制方式，具有响应快，能耗低，无需添加额外气源的优点。等离子体激励器工作的过程中，除了会形成射流外，还会向外部散发热量。因此，可以将等离子体激励器布置在风力机叶片上，用来控制叶片流动分离；合理布置后，也可以用来叶片表面除冰。

公开号为：cn102913386a，名称为：“抑制风力机叶片吸力面流动分离的等离子体流动控制方法”的发明专利将等离子体运用于风力机叶片上。该专利采用介质阻挡放电的方式，将暴露电极直接布置于叶片吸力面，激励生成等离子，形成一股贴壁射流，用来控制吸力面流动分离。然而，风力机的工作环境通常在户外，叶片表面会经常受到雨水、沙土和昆虫等污染，将电极直接铺设在叶片表面会造成局部短路，损毁激励器，甚至会破坏叶片结构。这种缺陷是等离子体激励器无法大规模运用于风力机叶片的主要原因。

技术实现要素：

本发明为了克服现有技术的不足，提供了基于等离子体合成射流的风力机叶片及控制方法，此风力机叶片其具有一定的密封性，能够保护激励器暴露电极不受污染、能够抑制或消除叶片表面流动分离、且具有一定抑制结冰能力。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：基于等离子体合成射流的风力机叶片，它包括叶片，所述叶片的表面嵌入安装带有开口的u型绝缘壳体；所述u型绝缘壳体的内部形成空腔体，在空腔体内部安装有用于生成等离子体的等离子体激励器；等离子体激励器通过导线与用于控制其工作的控制器以及提供电能的高压电源相连。

所述u型绝缘壳体包括腔体底侧绝缘板，所述腔体底侧绝缘板的一侧通过支撑绝缘板固定支撑有顶部绝缘板；所述腔体底侧绝缘板和顶部绝缘板的另一侧才有开口结构，并形成腔体出口；所述等离子体激励器配合安装在腔体底侧绝缘板上。

所述等离子体激励器由暴露电极、覆盖电极和阻挡介质构成；所述暴露电极固定在阻挡介质的顶部一侧；所述覆盖电极固定在阻挡介质的底部一侧，所述暴露电极、控制器、高压电源、覆盖电极和阻挡介质通过导线串联；所述暴露电极、覆盖电极和阻挡介质固定在腔体底侧绝缘板、支撑绝缘板或顶部绝缘板的任意一块绝缘板上。

所述腔体底侧绝缘板和顶部绝缘板之间具有小的间隙，并使得整个u型绝缘壳体嵌入到叶片的蒙皮内部；同时使得安装在相应绝缘板上的暴露电极和覆盖电极不与另一绝缘板相接触。

所述u型绝缘壳体所形成的腔体出口的高度小于支撑绝缘板的高度，并使得腔体出口的位置偏下。

所述顶部绝缘板与风力机叶片的表面曲率一致。

所述高压电源给等离子体激励器提供稳定可调高压电源，并设置在叶片的内部；所述控制器用以调整等离子体激励器的激励频率和激励占空比，使等离子体激励器能够间歇式或持续工作。

基于等离子体合成射流的风力机叶片的控制方法，包括以下步骤：

step1：当等离子体激励器接通电源时，暴露电极和覆盖电极间施加高压电后，阻挡介质上方空气被电离，放出热量并生成等离子体，空腔体内高速流体受此影响会从腔体出口喷出，形成一股壁面射流；

step2：当等离子体激励器短暂关闭时，腔内等离子体消失，温度下降，腔体出口外的外部流体被吸回；

step3：如此间歇式工作，实现等离子体合成射流流动控制，将u型绝缘壳体布置于叶片流动分离点附近，能够极大抑制或消除叶片表面流动分离；

step4：等离子体激励器也能够持续工作，此时壁面射流流速较小，但空腔体内温度较高，将u型绝缘壳体布置于易结冰的位置，实现叶片表面抗结冰功能。

本发明有如下有益效果：

1、采用本发明后，通过在等离子体激励器外部设置一层u型绝缘壳体遮挡，将它布置于风力机叶片上，能够有效防止等离子体激励器被环境污染，能够有效延长等离子体激励器使用寿命。

2、通过采用本发明的叶片，等离子体激励器能够在不改变风力机叶片外形的情况下，采用多种激励器运行模式能够抑制或消除风力机叶片流动分离。

3、通过采用等离子体激励器在工作过程中产生热量，并将其布置的容易结冰的位置，能够有效防止叶片表面结冰。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的叶片整体结构示意图。

图2为本发明图1中a局部放大图。

图3为本发明等离子体激励器接通电源连续工作时状态图。

图4为本发明等离子体激励器短暂关闭时状态图。

图中：风力机叶片1、蒙皮2、腔体底侧绝缘板3、顶部绝缘板4、暴露电极5、覆盖电极6、支撑绝缘板7、腔体出口8、阻挡介质9、控制器10、高压电源11、热量12、等离子体13、壁面射流14、外部流体15、u型绝缘壳体16。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

参见图1-4，基于等离子体合成射流的风力机叶片，它包括叶片1，所述叶片1的表面嵌入安装带有开口的u型绝缘壳体16；所述u型绝缘壳体16的内部形成空腔体，在空腔体内部安装有用于生成等离子体的等离子体激励器；等离子体激励器通过导线与用于控制其工作的控制器10以及提供电能的高压电源11相连。通过上述的风力机叶片，通过将等离子体激励器布置在u型绝缘壳体16的内部，能够对其起到很好的保护作用，防止等离子体激励器被环境污染，能够有效延长等离子体激励器使用寿命。此外，通过等离子体激励器能够在几乎不改变风力机叶片外形的情况下，采用多种等离子体激励器运行模式能够抑制或消除风力机叶片流动分离，有效防止叶片表面结冰。

进一步的，所述u型绝缘壳体16包括腔体底侧绝缘板3，所述腔体底侧绝缘板3的一侧通过支撑绝缘板7固定支撑有顶部绝缘板4；所述腔体底侧绝缘板3和顶部绝缘板4的另一侧才有开口结构，并形成腔体出口8；所述等离子体激励器配合安装在腔体底侧绝缘板3上。通过上述的u型绝缘壳体16整体采用绝缘材料制成，能够起到有效防护的目的。

进一步的，所述等离子体激励器由暴露电极5、覆盖电极6和阻挡介质9构成；所述暴露电极5固定在阻挡介质9的顶部一侧；所述覆盖电极6固定在阻挡介质9的底部一侧，所述暴露电极5、控制器10、高压电源11、覆盖电极6和阻挡介质9通过导线串联；所述暴露电极5、覆盖电极6和阻挡介质9固定在腔体底侧绝缘板3、支撑绝缘板7或顶部绝缘板4的任意一块绝缘板上。通过上述的等离子体激励器能够用于产生等离子体。

进一步的，所述腔体底侧绝缘板3和顶部绝缘板4之间具有小的间隙，并使得整个u型绝缘壳体16嵌入到叶片1的蒙皮2内部；同时使得安装在相应绝缘板上的暴露电极5和覆盖电极6不与另一绝缘板相接触。

进一步的，所述u型绝缘壳体16的绝缘板应有一定刚度，进而保证了其结构强度。

进一步的，所述u型绝缘壳体16所形成的腔体出口8的高度小于支撑绝缘板7的高度，并使得腔体出口8的位置偏下。

进一步的，所述顶部绝缘板4与风力机叶片1的表面曲率一致。通过上述的表面形状使得不会对风机叶片产生影响。

进一步的，所述高压电源11给等离子体激励器提供稳定可调高压电源，并设置在叶片1的内部；所述控制器10用以调整等离子体激励器的激励频率和激励占空比，使等离子体激励器能够间歇式或持续工作。

实施例2：

基于等离子体合成射流的风力机叶片的控制方法，包括以下步骤：

step1：当等离子体激励器接通电源时，如图3所示，暴露电极5和覆盖电极6间施加高压电后，阻挡介质9上方空气被电离，放出热量12并生成等离子体13，空腔体内高速流体受此影响会从腔体出口8喷出，形成一股壁面射流14；

step2：当等离子体激励器短暂关闭时，如图4所示，腔内等离子体13消失，温度下降，腔体出口外的外部流体15被吸回；

step3：如此间歇式工作，实现等离子体合成射流流动控制，将u型绝缘壳体16布置于叶片流动分离点附近，能够极大抑制或消除叶片表面流动分离；

step4：等离子体激励器也能够持续工作，如图3所示，此时壁面射流流速较小，但空腔体内温度较高，将u型绝缘壳体16布置于易结冰的位置，实现叶片表面抗结冰功能。