一种适用于风电叶片的带分叉小翼的涡流发生器结构的制作方法

本发明涉及风电叶片气动性能提效，涉及一种涡流发生器，尤其涉及一种适用于风电叶片的带分叉小翼的涡流发生器结构，该涡流发生器能够有效地控制叶片表面的流动分离，提高叶片的升力系数，增加风电机组的发电效率。

背景技术：

1、随着风电机组装机容量的不断增加，以及叶片长度的不断增加，同时，为了适应不同的风速和负载条件，叶片使用的大厚度翼型也在不断增加。大厚度翼型具有较高的结构强度和刚度，能够承受较大的弯矩和扭矩，但同时也带来了一些不利的气动效应。在风轮叶片的运行过程中，气流通过叶片时容易发生流动分离现象，尤其是风速较大时，这种现象会非常明显。流动分离是指气流在翼型表面由于逆压梯度的作用而脱离翼型表面，形成一定厚度的尾迹区，尾迹区内的气流动能损失较大，同时也会产生较大的压差，从而导致叶片的气动性能下降。当叶片表面出现流动分离时，会使叶片失速攻角减小，最大升力系数降低，同时也会增加风轮叶片的阻力；当分离达到一定程度时，会导致叶片失速，机组的发电量大幅下降。因此，控制叶片表面的流动分离并延缓或抑制叶片的失速，是提高风电机组性能的关键技术问题。

2、为了解决上述技术问题，目前广泛应用的技术是在叶片表面安装涡流发生器(vortex generator，vg)。涡流发生器是一种能够在气流中产生涡流的装置，其原理是利用气流与涡流发生器的相对运动，在涡流发生器的翼尖处形成一组高能量的翼尖涡，这些翼尖涡与翼型面下游低能量的边界层流动混合后，把能量传递给边界层，使处于逆压梯度中的边界层气流获得能量后能够继续附着在翼型表面，从而抑制或延缓流动分离的发生，改善叶片的气动性能(气体流经涡流发生器后产生翼尖涡的情况如图1所示，图中，1：高能量转移；2：低能量转移；3：涡流发生器；4：来流方向；5：翼尖涡)。涡流发生器的外形、尺寸、位置、数量、方向等参数都会影响其产生的涡流的强度、分布和持续时间，进而影响其对流动分离的控制效果。

3、现有涡流发生器(vg)外形多为叶片型，如：矩形、三角形或梯形，安装时与叶片表面及叶片的前缘之间基本呈垂直状态，涡流发生器成对设置，每对涡流发生器都互成“八”字型设置，涡流发生器与气流的来流方向呈一定角度夹角。这种涡流发生器的优点是结构简单，安装方便，能够在一定程度上改善叶片的气动性能，但也存在一些缺点和不足。目前现有vg都较为简单的片状式结构，每个vg产生一组翼尖涡，带动的高低能量交换有限，低能量的流体转移的效率有待进一步提升，以更有效地延缓叶片表面的流动分离，从而达到提高叶片升力增加机组出功的目的。因此，现有vg在提高低能量流体转移效率、有效延缓叶片表面流动分离方面的能力有限，从而限制了vg在提高风轮叶片升力和增加机组出功方面的潜力。

4、综上所述，现有vg技术在提高风轮叶片的升力效率和延缓流动分离现象方面存在显著的局限性，因而如何进一步挖掘和优化改善涡流发生器的结构，以进一步提升其性能，使其能够产生多组翼尖涡以有效地提高低能量流体转移的效率，控制叶片表面的流动分离，延缓或抑制叶片的失速，增加风电机组的发电效率的涡流发生器技术，是亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、(一)发明目的

2、针对现有技术的上述缺陷和不足，特别是现有传统涡流发生器(vg)在流动分离控制、升力提升及能量转移效率方面的局限性，本发明旨在提供一种适用于风电叶片的带分叉小翼的涡流发生器结构，通过在涡流发生器的尾缘延伸出若干与原涡流发生器成一定角度的分叉小翼结构，使气流流经每个涡流发生器能够产生多组高能量翼尖涡，这些翼尖涡可有效地使处于逆压梯度中的边界层气流获得能量而持续附着在翼型表面上。这一过程更为有效地提高了低能量流体转移的效率，控制叶片表面的流动分离，延缓或抑制叶片的失速，实现提高叶片升力系数，增加风电机组的发电效率的目的。同时，采用本发明的带分叉小翼的涡流发生器结构还可以减少vg的使用数量，从而降低安装周期和成本。

3、(二)技术方案

4、为实现该发明目的，解决其技术问题，本发明采用如下技术方案：

5、一种适用于风电叶片的带分叉小翼的涡流发生器结构，至少包括一沿其展向延伸的风力发电叶片以及沿展向设置在所述风力发电叶片的吸力面的叶根至叶中区域上并在弦向上布置在相对厚度30％～80％区间位置的若干涡流发生器，每一所述涡流发生器均至少包括两底部固定在风力发电叶片表面并相对倾斜布置的板片状涡流发生体，且两所述板片状涡流发生体之间形成的流道沿来流方向整体呈扩张状，其特征在于，

6、每一所述板片状涡流发生体均包括一板片主体部并在其尾端边以分叉方式向下游延伸出至少两个与所述板片主体部的板面成预定角度的板片状小翼，两所述板片状小翼关于所述板片主体部的板面呈相互对称的结构，其中，所述预定角度为锐角并被设计为优化涡流生成效率以促进气流在板片状小翼间的动能转换与分布；

7、每一所述板片状小翼的前缘边与所述板片主体部的尾端边随形连接，且所述板片状小翼的前缘边相对于叶片表面的高度不低于所述板片主体部的尾端边高度，每一所述板片状小翼的尾缘边相对于叶片表面的高度不低于其前缘边高度，并且每一所述板片状小翼的前缘边与尾缘边之间的弦向宽度不大于所述板片主体部的弦向宽度，每一所述板片状小翼的厚度不大于所述板片主体部的厚度，且每一所述板片状小翼的尾缘边的形状被设置为利于提升其在产生涡流时的效率和稳定性；

8、气流经过涡流发生器板片主体部下游的分叉结构安排的板片状小翼后，其旋转程度进一步提高而产生更多高能量的翼尖涡，以增加高低能量流体的混合效率，使处于逆压梯度中的边界层气流获得能量后能够继续附着在叶片表面并抑制其在叶片表面的流动分离。

9、优选地，每一所述板片状涡流发生体中，其板片主体部尾端边向下游延伸的板片状小翼数量为2个。

10、优选地，每一所述板片状小翼整体呈矩形，其尾缘边相对于叶片表面的高度与其前缘边高度相当。

11、优选地，每一所述板片状小翼整体呈梯形，其尾缘边相对于叶片表面的高度大于其前缘边高度，且二者之间的高度差设计为优化涡流的产生和控制。

12、优选地，每一所述板片状小翼的表面均经光滑处理以减少气流阻力，且每一所述板片状小翼与与板片主体部的材质相同并均呈刚性结构以保证在高速气流条件下的稳定性和耐久性。

13、优选地，每一所述板片状小翼与板片主体部的板面之间的夹角为5°～15°。

14、优选地，每一所述板片状涡流发生体中，其板片主体部的尾缘边与板片状小翼的前缘边之间的连接结构被设计为角度可调且相对于所述板片主体部的板面之间的角度调节范围在5°～15°，以适应不同风速和风向的变化。

15、优选地，每一所述板片状涡流发生体中，其板片主体部整体呈尾缘边高度相对于前缘边较大的三角形或梯形。

16、优选地，每一所述板片状涡流发生体中，根据其安装在叶片的展向位置不同，其板片主体部的尾缘高度为5～30mm、前缘边到尾缘边之间的弦向宽度为尾缘高度的2倍、厚度为1～3mm，所述板片状小翼的前缘边与尾缘边之间的弦向宽度为5～15mm、其尾缘高度为所述板片主体部尾缘的1～1.25倍。

17、优选地，各所述涡流发生器沿叶片展向等距布置，且每一所述涡流发生器的安装角度为9°～17°。

18、(三)技术效果

19、同现有技术相比，本发明的适用于风电叶片的带分叉小翼的涡流发生器结构，具有以下有益且显著的技术效果：

20、(1)本发明通过在风电叶片的吸力面上设置多个涡流发生器，其中的每个涡流发生体由一个板片主体部和多个板片状小翼组成，板片状小翼从板片主体部的尾端边向下游延伸，形成分叉状结构。板片状小翼的分叉结构设计能够在风力发电叶片的吸力面上有效地产生和维持稳定的涡流。与常规的vg相比，本发明通过引入分叉小翼可以产生更多的翼尖涡，使高低能量的流体转移的效率提高，更有效的延缓叶片表面的流动分离，从而达到提高叶片升力增加机组出功的目的。

21、(2)本发明通过设置板片状小翼的数量、高度、高度差和夹角等参数，，以优化涡流的产生和气流的控制，并能够调节涡流发生器的涡流强度和频率，从而适应不同的风速和风向条件，实现对风电叶片的主动流动控制，提高风力发电的稳定性和可靠性。

22、(3)本发明的涡流发生器结构简单，制作成本低，安装方便，不需要额外的能源或驱动装置，与风电叶片的结构和材料相兼容，不会影响风电叶片的结构强度和耐久性，且不会增加风电叶片的自身重量和阻力，具有良好的工程实用性和经济性。