本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的聯(lián)合增功結(jié)構(gòu)以及方法。

背景技術(shù)：

為改善風(fēng)電葉片的氣動(dòng)特性，在葉片上安裝渦流發(fā)生器、擾流板、格尼襟翼等增功附件已經(jīng)成為提升機(jī)組發(fā)電量的主要方法之一，相比于葉片延長增功方案，采用附件增功對(duì)于機(jī)組及其零部件的載荷影響較小，施工方便，成本回收期短，是一種性價(jià)比較高、風(fēng)險(xiǎn)較小的增功方式。目前，業(yè)界應(yīng)用較為普遍的是單個(gè)附件進(jìn)行增功，其中擾流器及渦流發(fā)生器較為廣泛，已取得一定的增功效果。而對(duì)于上述三種附件聯(lián)合增功的案例較少，據(jù)了解，聯(lián)合增功效果欠佳，未能推廣應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)的不足，提供一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的聯(lián)合增功結(jié)構(gòu)以及方法。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用以下技術(shù)方案：一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的聯(lián)合增功結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)為在風(fēng)電葉片上同時(shí)采用兩種，或三種下述的增功附件的優(yōu)化組合對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行增功，所述三種增功附件分別為擾流板、渦流發(fā)生器、格尼襟翼，所述擾流板安裝在葉片壓力面的最大弦長至葉根的范圍內(nèi)，所述渦流發(fā)生器安裝在葉片吸力面距離前緣5％-50％的弦長范圍內(nèi)，所述格尼襟翼安裝在葉片壓力面的后緣。

優(yōu)選地，所述渦流發(fā)生器的厚度使用0.5-3mm，高度根據(jù)葉片當(dāng)?shù)匾硇筒捎?0mm-150mm的范圍，渦流發(fā)生器的當(dāng)?shù)毓ソ欠秶?°到24°之間。

優(yōu)選地，所述格尼襟翼采用l型外形，其中，水平邊用于同葉片殼體進(jìn)行粘接，格尼襟翼的高度采用10mm-100mm范圍。

優(yōu)選地，采用兩種增功附件，所述兩種增功附件為擾流板和渦流發(fā)生器，或者，為渦流發(fā)生器和格尼襟翼。

優(yōu)選地，采用聯(lián)合設(shè)計(jì)的方式對(duì)三種增功附件或兩種增功附件的布局進(jìn)行優(yōu)化，確定一種增功附件的安裝位置后，依據(jù)安裝位置處各個(gè)切面的攻角、流場(chǎng)、壓力及環(huán)量分布，再輔助使用其他一種或兩種增功附件改變?nèi)~片當(dāng)?shù)匾硇偷臍鈩?dòng)特性，進(jìn)一步的抑制氣流分流，推遲失速點(diǎn)，增加當(dāng)?shù)匾硇陀行澏?，提升升力系?shù)，達(dá)到最優(yōu)的增功效果。

相應(yīng)地，還提供了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的聯(lián)合增功方法，

ss1.在風(fēng)電葉片上同時(shí)采用兩種，或三種下述的增功附件的優(yōu)化組合對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行增功，所述三種增功附件分別為擾流板、渦流發(fā)生器、格尼襟翼；

ss2.通過對(duì)葉片氣動(dòng)特性的深入研究，確定增功附件尺寸、三種增功附件組合及其準(zhǔn)確定位；

ss3.采用聯(lián)合設(shè)計(jì)的方式對(duì)三種增功附件的布局進(jìn)行優(yōu)化,確定一種增功附件的安裝位置后，依據(jù)安裝位置處各個(gè)切面的攻角、流場(chǎng)、壓力及環(huán)量分布，再輔助使用其他一種或兩種增功附件改變?nèi)~片當(dāng)?shù)匾硇偷臍鈩?dòng)特性，進(jìn)一步的抑制氣流分流，推遲失速點(diǎn)，增加當(dāng)?shù)匾硇陀行澏?，提升升力系?shù)，達(dá)到最優(yōu)的增功效果。

優(yōu)選地，

所述擾流板安裝在葉片壓力面的最大弦長至葉根的范圍內(nèi)，所述擾流板作用是在壓力面產(chǎn)生與翼型環(huán)量相反的分離渦提高截面的升力，并提升風(fēng)輪的扭矩；

所述渦流發(fā)生器安裝在葉片吸力面距離前緣5％-50％的弦長范圍內(nèi)，具體的，根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及整體數(shù)值仿真的方法確定其安裝位置；渦流發(fā)生器的作用是其尖端產(chǎn)生的渦流能夠從流體邊界層的外側(cè)吸收能量，注入到邊界層內(nèi)，從而達(dá)到增加邊界層動(dòng)能、抑制流動(dòng)分離，失速延遲，提升最大升力系數(shù)；

所述格尼襟翼，安裝在葉片壓力面的后緣，通過對(duì)安裝區(qū)域做三維數(shù)值仿真，結(jié)合工程算法優(yōu)化其安裝位置，格尼襟翼的作用在于增加了翼型后緣處的有效彎度，提高截面設(shè)計(jì)工況下的升力系數(shù)達(dá)到增加氣動(dòng)效率的目的。

優(yōu)選地，在風(fēng)電葉片上同時(shí)采用兩種增功附件增功，具有如下兩種方案：

擾流板與渦流發(fā)生器進(jìn)行協(xié)同增功，由于葉片根部至過渡段區(qū)域相比葉尖區(qū)域翼型升阻性能欠佳，在低風(fēng)速區(qū)時(shí)各切面攻角較大，氣流分流點(diǎn)靠近前緣，氣流分離較早，僅采用渦流發(fā)生器抑制氣流分流增功效果不佳，因此在壓力面輔助加裝擾流板，增加當(dāng)?shù)匾硇偷挠行澏?，產(chǎn)生與翼型環(huán)量相反的分離渦提高截面的升力，提升風(fēng)輪的輸出扭矩，從而達(dá)到協(xié)同增功的效果；

或者，

采用渦流發(fā)生器和格尼襟翼二者進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)，使線性段的升力系數(shù)和失速段升力系數(shù)均得到提高，同時(shí)，翼型失速延遲，最大升力系數(shù)提升。

優(yōu)選地，所述渦流發(fā)生器的厚度使用0.5-3mm，高度根據(jù)葉片當(dāng)?shù)匾硇筒捎?0mm-150mm的范圍，所述渦流發(fā)生器的當(dāng)?shù)毓ソ欠秶?°到24°之間。

優(yōu)選地，所述格尼襟翼采用l型外形，其中水平邊用于同葉片殼體進(jìn)行粘接，格尼襟翼的高度采用10mm-100mm范圍。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:同時(shí)采用擾流板，渦流發(fā)生器，格尼襟翼三種增功附件的兩種或三種對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行增功。而三種增功附件，依據(jù)葉片本體的幾何外形首先對(duì)三種增功附件的尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；確定三者的外形尺寸后，結(jié)合風(fēng)場(chǎng)實(shí)際風(fēng)況的特性及風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況采用聯(lián)合設(shè)計(jì)的方式，對(duì)各項(xiàng)增功附件的布局進(jìn)行優(yōu)化。采用聯(lián)合設(shè)計(jì)方式，可以消除或減弱僅使用一種增功附件的不利因素。另外，通過聯(lián)合設(shè)計(jì)，可最大程度的提升風(fēng)輪葉片的氣動(dòng)性能，進(jìn)而提升機(jī)組的發(fā)電量。而采用增功附件進(jìn)行發(fā)電量的提升，對(duì)于機(jī)組的載荷影響較小，且對(duì)于低空氣密度，低風(fēng)速區(qū)域，以及風(fēng)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速不匹配等情況增功效率顯著。

附圖說明

圖1所示為本發(fā)明增功區(qū)域示意圖；

圖2所示為擾流板安裝示意圖；

圖3所示為渦流發(fā)生器安裝示意圖；

圖4所示為格尼襟翼安裝示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

應(yīng)當(dāng)說明的是，本申請(qǐng)中所述的“連接”和用于表達(dá)“連接”的詞語，如“相連接”、“相連”等，其既可以指代某一部件與另一部件直接連接，也可以指代某一部件通過其他部件與另一部件相連接。

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。

為優(yōu)化三種附件聯(lián)合增功的效果，我們進(jìn)行了大量的風(fēng)洞試驗(yàn)，確定了各增功附件之間的相對(duì)位置，并通過數(shù)值建模分析進(jìn)行詳細(xì)定位，最終確定聯(lián)合優(yōu)化增功方案。目前根據(jù)此方案應(yīng)用到實(shí)際增功項(xiàng)目，增功效果良好，經(jīng)過第三方驗(yàn)收合格，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

采用多種增功附件進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)，可將某一種增功附件的不利因素降至最低，且多種增功附件的協(xié)同作用，可最大程度的提升發(fā)電效率，達(dá)到更理想的增功效果，形成有效的技改方案并推廣應(yīng)用。

如圖1-圖4所示，本發(fā)明提供一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的聯(lián)合增功結(jié)構(gòu)以及方法，同時(shí)采用擾流板1、渦流發(fā)生器2、格尼襟翼3三種增功附件兩種或三種對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行增功。

首先對(duì)三種增功附件的尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；根據(jù)葉片的氣動(dòng)特性確定三者的外形尺寸后，再結(jié)合風(fēng)場(chǎng)實(shí)際風(fēng)況的特性采用聯(lián)合設(shè)計(jì)的方式，對(duì)各項(xiàng)增功附件的布局進(jìn)行優(yōu)化。采用三種增功附件進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)增功的方案，在對(duì)機(jī)組載荷影響較小的前提下，最大程度的提升風(fēng)輪葉片的氣動(dòng)性能，對(duì)于低空氣密度，低風(fēng)速區(qū)域，以及風(fēng)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速不匹配等情況增功效率明顯。

增功方案的計(jì)算主要依據(jù)風(fēng)場(chǎng)實(shí)際風(fēng)況、機(jī)組的實(shí)際功率曲線、葉片的氣動(dòng)外形特性，優(yōu)化增功附件尺寸、組合方式以及安裝位置。

依據(jù)實(shí)際功率曲線，實(shí)現(xiàn)增功的區(qū)域主要在風(fēng)機(jī)額定功率以下的區(qū)域內(nèi)。

首先結(jié)合風(fēng)場(chǎng)的特性對(duì)風(fēng)況進(jìn)行分析，主要依據(jù)風(fēng)場(chǎng)的年平均風(fēng)速、空氣密度以及風(fēng)機(jī)的實(shí)際功率曲線進(jìn)行多工況穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)特性分析，確定各增功附件的尺寸及初始安裝位置。其中，影響機(jī)組功率的參數(shù)如以下公式所示：

其中,v:平均風(fēng)速，cp：功率系數(shù)，η：系統(tǒng)效率，a:掃風(fēng)面積。其中:cp＝f(λ,re…)即功率系數(shù)是尖速比，湍流強(qiáng)度等因子的函數(shù)。

初步設(shè)計(jì)完成后，分析帶有一種增功附件后葉片表面的流動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)其流動(dòng)特性進(jìn)一步優(yōu)化另一種增功附件的安裝位置。最后綜合分析兩種方式配合后的流動(dòng)特性改善情況，返回最初含一種增功附件進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)。直到達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。對(duì)于第三種增功附件安裝位置的優(yōu)化也采用上述方式進(jìn)行兩兩配合或者三種情況配合，采用上述類似的優(yōu)化方法。對(duì)三種增功附件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

首先，確定一種附件的安裝位置,可用如下公式進(jìn)行模擬：

其中，δ為渦源距離，d為排列周期。

再將其位置對(duì)于誘導(dǎo)速度的影響根據(jù)如下公式進(jìn)行計(jì)算：

其中：v′，w′為空間任意一點(diǎn)的脈動(dòng)速度分量。

扭角

相關(guān)速度

最后得到流場(chǎng)的阻力分布特征，如下式：

式中：г為誘導(dǎo)渦的強(qiáng)度。

將其進(jìn)行展向平均，根據(jù)k-w模型進(jìn)行求解，則湍流動(dòng)能的增加量為：

其中：ρ為空氣密度

使用上述算法，對(duì)增功附件在葉片表面安裝后，對(duì)流體動(dòng)能改變量進(jìn)行計(jì)算，如涉及到期其他附件，需要在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行反復(fù)迭代。

增功附件擾流板、渦流發(fā)生器、格尼襟翼同葉片的粘接方式采用包含并不限于結(jié)構(gòu)性膠粘劑或壓敏膠進(jìn)行粘接，葉片表面在粘接前進(jìn)行表面處理，其處理方式包含并不限于清潔，打磨等操作。

如圖1所示。其中，ab段屬于高葉尖速比運(yùn)行區(qū)，bc段為最優(yōu)運(yùn)行區(qū)，cd段為低尖速比運(yùn)行區(qū)，de段為額定運(yùn)行區(qū)。氣動(dòng)附件增功主要提升ab，bc，cd三段的功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)年發(fā)電量的提升。

對(duì)于渦流發(fā)生器及擾流板聯(lián)合設(shè)計(jì)的方案,在葉片的過渡段區(qū)域，由于各切面攻角較大，吸力面氣流分離點(diǎn)距前緣點(diǎn)較近，導(dǎo)致氣流分離過早，氣動(dòng)效率很低。為最大限度的提升氣動(dòng)效率，可采用渦流發(fā)生器及擾流板組合增功方案。渦流發(fā)生器可使當(dāng)?shù)匾硇褪傺舆t并提升最大升力系數(shù)，在此基礎(chǔ)上加裝的擾流板可增加翼型有效彎度，可進(jìn)一步提升當(dāng)?shù)匾硇偷纳ο禂?shù)，進(jìn)而提高葉片過渡段區(qū)域的發(fā)電量，降低機(jī)組的切入風(fēng)速。從而達(dá)到協(xié)同增功的效果。

對(duì)于渦流發(fā)生器及格尼襟翼聯(lián)合設(shè)計(jì)的方案在于其共同作用下，可使線性段的升力系數(shù)和失速段升力系數(shù)均得到提高。同時(shí)，翼型失速延遲，最大升力系數(shù)提升。

對(duì)于渦流發(fā)生器同格尼襟翼聯(lián)合設(shè)計(jì)，在提升升力系數(shù)的同時(shí)阻力系數(shù)也呈現(xiàn)大幅提升。其中，小攻角情況下，二者耦合阻力系數(shù)大于大攻角情況。此兩種增功附件的聯(lián)合設(shè)計(jì)需要的兩種的布局，以最大程度的發(fā)揮其有利方面。

優(yōu)選的，擾流板主要安裝在葉片壓力面的最大弦長至葉根的范圍內(nèi)。如圖2所示，用于提高葉片的過渡段厚翼型對(duì)于風(fēng)輪扭矩的貢獻(xiàn)。

優(yōu)選的，擾流板外形采用t型，或l型外形，但不限于此外形。其中水平邊用于同葉片殼體進(jìn)行粘接。對(duì)擾流板的高度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用100mm-400mm范圍。

優(yōu)選的，擾流板的粘貼曲線應(yīng)進(jìn)行光順處理。

優(yōu)選的，渦流發(fā)生器主要安裝在葉片吸力面距離前緣5％-50％的弦長范圍內(nèi)，具體的，依據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及數(shù)值仿真的方法進(jìn)行計(jì)算得出優(yōu)化安裝位置。用于抑制流動(dòng)分離，提升當(dāng)?shù)匾硇偷淖畲笊ο禂?shù)。渦流發(fā)生器在葉片上安裝可以采用同一規(guī)格或不同規(guī)格大小的渦流發(fā)生器。不同切面的安裝位置可以進(jìn)行曲線過渡和直線過渡。也可以采用兩種方式并用。

優(yōu)選的，渦流發(fā)生器厚度使用0.5-3mm。高度根據(jù)葉片當(dāng)?shù)匾硇涂刹捎?0mm-150mm的范圍。渦流發(fā)生器攻角范圍在8°到24°之間。

優(yōu)選的，格尼襟翼，主要安裝在葉片壓力面的后緣，對(duì)安裝區(qū)域做三維數(shù)值仿真，并結(jié)合工程算法優(yōu)化其安裝位置。主要作用在于增加了翼型后緣處的有效彎度。

優(yōu)選的，格尼襟翼采用l型外形，但不限于此外形。其中水平邊用于同葉片殼體進(jìn)行粘接。對(duì)格尼襟翼的高度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用10mm-100mm范圍。

優(yōu)選的，格尼襟翼采用鋸齒狀結(jié)構(gòu)，用于降低阻力系數(shù)，提高升阻比。鋸齒深度為襟翼高度的10％至90％。

優(yōu)選的，本發(fā)明增功方式同時(shí)采用以上兩種或三種增功附件，因各種氣動(dòng)附件的安裝會(huì)產(chǎn)生相互影響，組合方式需要進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。其具體方式為：先依據(jù)葉片的運(yùn)行情況優(yōu)化一種增功附件的安裝位置，再根據(jù)含該增功附件的葉片流動(dòng)狀態(tài)優(yōu)化另一種增功附件的安裝位置。采用兩兩或三種配合分析設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)。

優(yōu)選的，增功附件擾流板、渦流發(fā)生器、格尼襟翼采用高分子材料或復(fù)合材料制備，具有一定的耐光老化，耐濕熱環(huán)境，耐腐蝕等性能。并避免采用金屬等具有導(dǎo)電性能的材料。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。