一种合成射流激励器以及水平轴风力机叶片的制作方法

本发明涉及空气动力学领域，具体涉及一种合成射流激励器以及具备合成射流激励器的水平轴风力机叶片。

背景技术：

随着空气动力学的发展与相关技术的突破，流动控制技术随之发展迅猛。流动控制技术是利用特殊结构或特殊装置来达到控制局部流场或全局流场的一种技术，常见于各种流体机械。主动流动控制技术(activeflowcontrol,afc)由于局部能量输入从而获得局部或全局流场结构极大的改善，可有效地减小因流动分离而产生的气动损失。因此，afc技术成为研究热点之一。

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。

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的合成射流激励器，其特征在于，包括：腔体具有下开口和上开口，下开口的截面面积大于上开口的截面面积；长条形压电薄膜，匹配覆盖在下开口上；长条形压电驱动器，设置在压电薄膜的下方；以及放气通道，与上开口匹配连接；其中，长条形压电驱动器在矩形脉冲信号驱动下发生逆压电效应，驱动压电薄膜产生周期性的上下振动，引起腔体中的空气随之振动，进而在放气通道中产生周期性吹吸气效应。

在本发明提供的一种合成射流激励器中，还可以具有这样的特征：其中，长条形压电薄膜为柔性聚酰亚胺薄膜。

在本发明提供的一种合成射流激励器中，还可以具有这样的特征：其中，长条形压电驱动器为压电陶瓷片。

在本发明提供的一种合成射流激励器中，还可以具有这样的特征：还包括控制器，与长条形压电驱动器电性连接，向长条形压电驱动器输入矩形脉冲信号。

在本发明提供的一种合成射流激励器中，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。

本发明还提供的一种具备合成射流激励器的水平轴风力机叶片，其特征在于，包括：叶片；以及合成射流激励器，设置在叶片中，其中，合成射流激励器为权利要求1～4中任意一项的合成射流激励器。

在本发明提供的一种具备合成射流激励器的水平轴风力机叶片中，还可以具有这样的特征：其中，合成射流激励器沿叶片的展向方向设置，且位于叶片的叶中与叶尖之间从叶片的弦向方向看，合成射流激励器设置在叶片的尾缘。

在本发明提供的一种具备合成射流激励器的水平轴风力机叶片中，还可以具有这样的特征：其中，叶片的尾缘处设置有一组射流斜出口，与合成射流激励器中的放气通道相匹配连接，形成射流通道。

在本发明提供的一种具备合成射流激励器的水平轴风力机叶片中，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夹角为15°～90°。

在本发明提供的一种具备合成射流激励器的水平轴风力机叶片中，还可以具有这样的特征：其中，风力机设置有风速传感器，与合成射流激励器中的控制器电性连接，控制器接受风速传感器的信号，控制矩形脉冲信号的频率。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的一种合成射流激励器因为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，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。

另外，具备合成射流激励器的水平轴风力机叶片，可实现流动控制，从而减小风力机尾涡强度，加快尾涡耗散，减小风力机叶片振动，提升风力机寿命，由离心力作用，射流也将减小叶尖损失。在风电机组中的应用，可使水平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。

附图说明

图1是本发明的实施例中的合成射流激励器的结构示意图；

图2是本发明的实施例中的水平轴风力机叶片的结构示意图；

图3是本发明的实施例中的水平轴风力机叶片的射流段叶片的结构示意图；

图4是本发明的实施例中的射流段叶片的翼型示意图；以及

图5是本发明的实施例中的合成射流激励器的安装示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下通过实施例并结合附图对本发明的合成射流激励器以及具备合成射流激励器的水平轴风力机叶片作具体阐述。

图1是本发明的实施例中的合成射流激励器的结构示意图。

如图1所示，在本实施例中，合成射流激励器100包括腔体101，具有下开,103和上开口102，下开口103的截面面积大于上开口102的截面面积；长条形压电薄膜104匹配覆盖在下开口103上，在本实施例中长条形压电薄膜为柔性聚酰亚胺薄膜；长条形压电驱动器105设置在长条形压压电薄膜104的下方，在本实施例中长条形压电驱动器为压电陶瓷片；以及放气通道106，与上开口102匹配连接。

在本实施例中还包括控制器(图未示)，与长条形压电驱动器105电性连接，向长条形压电驱动器105输入矩形脉冲信号，矩形脉冲信号的频率范围为10hz～5khz，本实施例中矩形脉冲信号的频率为263hz。

长条形压电驱动器105在矩形脉冲信号驱动下发生逆压电效应，驱动长条形压电薄膜104产生周期性的上下振动，将输入的电能转化为长条形压电薄膜104振动的动能，长条形压电薄膜104的动能将转化为腔体101内的空气动能，从而在放气通道106中产生周期性吹吸气效应。

图2是本发明的实施例中的水平轴风力机叶片的结构示意图。

如图2所示，具备合成射流激励器的水平轴风力机叶片200包括叶片201以及设置在叶片201中的合成射流激励器100。

如图2所示，合成射流激励器100沿叶片201的展向方向设置，且位于叶片201的叶中203与叶尖202之间。叶片201的长度为50～80m；ljet为射流段长度,长度范围为叶片201的长度的10％～40％；sl为射流展向位置参数，是距轮毂208最近的射流孔位置(图未示)与轮毂208中心之间的距离大小，其距离范围为叶片201长度的50％～90％。在本实施例中ljet为叶片201的长度的30％；sl为叶片201长度的60％。

图3是本发明的实施例中的水平轴风力机叶片的射流段叶片的结构示意图。

如图3所示，合成射流激励器100设置在叶片201的尾缘附近，叶片201的尾缘处设置有一排很多个的射流斜出口206。

图4是本发明的实施例中的射流段叶片的翼型示意图。

如图4所示，从叶片201的弦向方向看，sjet为射流弦向位置参数，是合成射流激励器100腔体101重心与叶片201前缘的距离大小，其距离范围为叶片201的弦长的50％～90％。在本实施例中，sjet为叶片201的弦长的80％，叶片201的厚度为叶片201的弦长的21％。图中c为叶片201的弦长。

图5是本发明的实施例中2的合成射流激励器的安装示意图；

如图5所示，合成射流激励器100设置在叶片201的表面205的下面，合成射流激励器100中的放气通道106与多个射流斜出口206匹连接，形成射流通道207。射流通道207就类似于渐缩喷管，上开口102的出口面积大于射流斜出口206的出口面积，因此具有喷管效应。

δ为射流通道207的中心线与叶片201的弦向的夹角，其夹角范围为15°～90°；hjet为合成射流激励器100中腔体101的高度，其高度范围为叶片201的弦长的1％～5％；sh为合成射流激励器100中腔体101的高度位置参数，是直接影响斜出口长度的重要参数，其长度范围为叶片201的弦长的0.5％～1％；djet为合成射流激励器100中腔体101的宽度，其宽度是hjet的200％；d0为合成射流激励器100中放气通道106的出口宽度，其宽度范围为叶片201的弦长的0.1％～0.4％。在本实施例中，δ为45°；hjet为叶片201的弦长的2％,sh为叶片201的弦长的0.5％；djet为叶片201的弦长的0.4％，d0为叶片201的弦长的0.1％。

在本实施例中，具备合成射流激励器的水平轴风力机叶片200中，还设置有风速传感器(图未示)，与合成射流激励器100中的控制器电性连接，控制器接受风速传感器的信号，控制矩形脉冲信号的频率。

合成射流激励器布置于叶片表面的下方，且在外界具有流速的空气中工作为例，设气体不可压缩，当长条形压电薄膜沿-y方向振动时，腔体内气体压强降低，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”腔体内，当长条形压电薄膜沿+y方向振动时，腔体内气体受到压缩，腔内压力瞬间增加，气体又会经由射流斜出口排出，在气体吹吸交替过程中，斜出口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表面。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。

基于上述理论描述，本发明的具备合成射流激励器的水平轴风力机叶片改善了水平轴风力机的尾迹。因为只要有障碍物，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，显然水平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，但是在旋转机械中，射流本身就具有绕轮毂中心的旋转角速度，故射流在离开激励器斜出口的时候，就会有一定离心力，射流将会以一定的曲线远离轮毂中心(当然在设计时，不能使射流段离叶尖太远)，因此，对控制叶尖效应，也就是降低诱导阻力，减小了叶尖损失，以叶尖涡形式耗散的能量就可得到减小。这一点也是发明此种具备合成射流激励器的水平轴风力机叶片的初衷。观察水平轴风力机尾迹时，发现造成水平轴风力机尾迹难以控制的是叶尖损失，由圆形叶根与机舱产生的尾迹也非常大，但这个因为结构强度需要，目前没有很好的解决办法。设计本发明目的在于一方面减小由叶中产生的尾涡，另一方面减小叶尖损失，达到了双重控制的目的。

实施例的作用与效果

根据本发明所涉及的一种合成射流激励器因为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，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。

另外，具备合成射流激励器的水平轴风力机叶片实现了流动控制，从而加快尾涡耗散减小了风力机尾涡的强度，降低了风力机叶片的振动，提升了风力机的寿命。由于离心力的作用，射流也将减小叶片的叶尖损失。

其次，控制器接受风速传感器的信号来控制矩形脉冲信号的频率，能够调控水平轴风力机叶片在不同的风速时流动控制的效果。

进一步，此种叶片应用在风电机组中，可使水平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。