空气流动控制装置及包含其的风机叶片、风力发电机组

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体是涉及一种空气流动控制装置及包含其的风机叶片、风力发电机组。

背景技术

风力发电机组在运行时，若叶片的迎角过大，叶片会出现边界层流动分离现象，称为叶片失速，流动分离会导致叶片升力迅速下降，阻力迅速上升，导致叶片气动性能下降，发电量损失严重。随着风电叶片的大型化，对叶片结构的要求越来越高，大厚度、钝尾缘的翼型成为了叶根端翼型的首选。在风电机组运行过程中，使用大厚度翼型的叶根区域极易出现边界层流动分离，进而产生沿叶片展向的三维流动，造成叶片气动性能的下降。

为了在风电机组正常工作期间获得更高的风能利用率，需要提升叶片升力的同时减小叶片阻力。通常通过一定流动控制手段将气流分离位置向叶片后缘移动来增加叶片附着流区域，减小分离流区域。例如中国发明专利CN201110452836公开一种操纵横跨风力涡轮机转子叶片的空气的边界层的主动流动控制系统和方法，该发明专利在风电叶片的前缘和最大厚度之间以及后缘和最大厚度之间开气孔，气孔与叶片腔体内部的排气管连接，通过气孔吸气或者排气对边界层进行流动控制，达到提升叶片空气动力学性能目的。但其在叶片表面开孔，造成叶片结构有损伤风险，而且其叶片表面开孔方向垂直于叶片表面，导致其排出的气流速度方向与叶片前缘来流速度方向接近垂直，导致合成气流速度方向与叶片表面有一定夹角，不利于抑制流动分离。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术中风力发电机组在运行时，风电叶片会出现边界层流动分离现象的缺陷，提供一种空气流动控制装置及包含其的风机叶片、风力发电机组。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种空气流动控制装置，所述空气流动控制装置包括至少一个控制单元，所述控制单元包括两个相对设置的立板和排气组件，两个所述立板之间的距离从前向后逐渐增加，所述排气组件上具有能喷射气体的排气孔，所述排气孔设于两个所述立板之间的后侧区域。

在本方案中，空气流动控制装置通过使流经风机叶片表面的气流流经两个立板之间的区域产生涡流，将风机叶片的边界层的外部能量掺和到边界层的内部，增加边界层内部能量，再通过排气组件的排气孔喷出的气流带动涡流的涡心下移，进而加强边界层的能量混掺，进一步增加边界层内部能量，提高边界层抗分离能力。

较佳地，所述排气组件包括送气机构，所述送气机构的出气口与所述排气孔连通。

在本方案中，通过送气机构向排气组件的排气孔内输送气体，可以根据风力发电机运行状态调节排气流量，使排气孔喷出的气体更好地降低涡流的涡心。

较佳地，所述排气组件还包括排气板，所述排气板的上表面开设有所述排气孔。

在本方案中，将排气孔设在排气板上，避免在风机叶片上直接开孔造成叶片结构损伤，同时也方便对排气孔的设置位置进行调整。

较佳地，所述排气板内具有进气通道，所述进气通道与所述排气孔连通，所述送气机构的出气口与所述进气通道连通。

在本方案中，设置与排气孔连通的进气通道，便于与送气机构的出风口连接。

较佳地，所述排气板的厚度从前向后逐渐减小，所述排气孔靠近所述排气板的前端设置。

在本方案中，排气板的厚度从前向后逐渐减小，可以降低经过排气板表面风流的阻力，同时还方便使排气孔的开口朝向经过风机叶片表面的空气的流动方向，以便于将排气孔喷出气体的气流方向与空气的来流速度方向一致，使气流的合成速度方向贴合风机叶片的表面，有利于抑制边界层的气流分离。排气孔靠近排气板的前端设置，使排气孔喷出的气流可以快速降低涡流的涡心。

较佳地，所述空气流动控制装置还包括底板，两个所述立板均安装在所述底板上。

在本方案中，采用上述结构形式，结构简单，方便对立板进行安装固定。

较佳地，所述底板的厚度自所述立板的前端向所述立板的后端逐渐增加。

在本方案中，采用上述结构形式，可以减小底板前端对风的流动阻力。

较佳地，所述底板内设置有第一通道以及与所述第一通道连通的第一连通口，所述排气板上设置有与所述排气孔连通的第二连通口，所述第一连通口和所述第二连通口对应连通。

在本方案中，通过在底板上设置第一通道和与排气板连通的连通口，可以将送气机构的气体通过第一通道输送到排气孔喷出。

较佳地，所述第一连通口、所述第二连通口和所述排气孔均沿着所述第一通道延伸的方向设置有多个，所述排气孔的数量与所述第二连通口相同。

在本方案中，通过设置多个排气孔增加喷出气体的喷射范围，有利于气流带动涡流的涡心下移，进而加强边界层的能量混掺，增加边界层内部能量，提高边界层抗分离能力。

较佳地，所述空气流动控制装置具有多个所述控制单元，相邻的所述控制单元之间设置有间隔板，所述间隔板内设置有第二通道，相邻的所述控制单元的所述第一通道之间通过所述第二通道连通。

在本方案中，设置间隔板使相邻的涡流发生区域产生的涡流不会被相互影响。

较佳地，所述立板上设有具有贯穿孔的插入件，所述立板通过所述插入件安装于所述底板和所述间隔板之间，所述插入件的一端插设于所述第一通道内，所述插入件的另一端插设于所述第二通道内，所述第一通道和所述第二通道通过所述贯穿孔连通。

在本方案中，采用上述结构，便于加工和组装。

较佳地，所述底板远离所述间隔板的一端到所述间隔板远离所述底板的一端的距离与所述排气板的长度相同。

在本方案中，采用上述结构，便于形成规则的结构，利于安装。

较佳地，所述立板的高度从前向后逐渐增加。

在本方案中，采用上述结构是为了能够在产生足够的涡流以延缓气流的流动分离。

较佳地，所述空气流动控制装置还包括控制器，所述控制器用于控制所述排气孔喷射气体的量。

在本方案中，可以根据风力发电机运行状态以及外界风力大小和方向调节排气孔的排气流量，使排气孔喷出的气体更好地降低涡流的涡心。

一种风机叶片，所述风机叶片包含如上所述的空气流动控制装置。

在本方案中，本发明通过在风机叶片上设置空气流动控制装置，可有效地改善风机叶片表面与外界的能量交换，提高风力发电机组对风能的利用率，提升发电量。

较佳地，所述空气流动控制装置设于所述风机叶片的迎风面和/或背风面；

两个所述立板的前端之间形成第一开口，两个所述立板的后端之间形成第二开口，所述第一开口朝向所述风机叶片的前缘，所述第二开口朝向所述风机叶片的后缘。

在本方案中，采用上述结构安装能够获得更大的涡流，有利于延缓气流的流动分离。

较佳地，所述空气流动控制装置靠近所述风机叶片的叶根处设置。

在本方案中，由于叶根区域极易出现边界层流动分离，造成叶片气动性能的下降，将空气流动控制装置靠近风机叶片的叶根处设置，能够延缓叶根区域出现边界层流动分离。

一种风力发电机组，所述风力发电机组包含如上所述的风机叶片。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：本发明的空气流动控制装置通过使流经风机叶片表面的气流流经两个立板之间的区域产生涡流，将风机叶片的边界层的外部能量掺和到边界层的内部，增加边界层内部能量，再通过排气组件的排气孔喷出的气流带动涡流的涡心下移，进而加强边界层的能量混掺，进一步增加边界层内部能量，提高边界层抗分离能力。

附图说明

图1为本发明较佳实施例中空气流动控制装置的控制单元的结构示意图。

图2为本发明较佳实施例中底板的结构示意图。

图3为本发明较佳实施例中的底板的内部结构示意图。

图4为本发明较佳实施例中排气板的结构示意图。

图5为本发明较佳实施例中的立板的结构示意图。

图6为本发明较佳实施例中的立板的结构示意图。

图7为本发明较佳实施例中的间隔板的结构示意图。

图8为本发明较佳实施例中的立板与底板的安装示意图。

图9为本发明较佳实施例中的立板、底板及间隔板的安装示意图。

图10为本发明较佳实施例中风力发电机组的结构示意图。

图11(a)-11(g)为本发明较佳实施例中空气流动控制装置的安装示意图。

附图标记说明：

控制单元100

第一立板1

第二立板2

排气板3

凸起301

第二连通口302

排气孔4

底板5

第一通道501

第一连通口502

间隔板6

第二通道601

插入件7

贯穿孔701

送气机构8

控制器9

输气管道10

塔架11

机舱12

轮毂13

风机叶片14

第一胶带区域15

第二胶带区域16

具体实施方式

下面通过实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在该实施例范围之中。

如图1-9所示，为本实施例一种空气流动控制装置，该空气流动控制装置包括至少一个控制单元100，其中，控制单元100包括两个相对设置的立板以及排气组件，两个立板之间的距离从前向后逐渐增加，排气组件上具有能喷射气体的排气孔4，排气孔4设于两个立板之间的后侧区域。其中，排气孔4在设置时，排气孔4的开口朝向经过两个立板之间区域内的空气流动方向，以便于使排气孔4喷出气体的气流方向与空气的来流速度方向一致，使气流的合成速度方向贴合风机叶片14的表面，有利于抑制边界层的气流分离。

该空气流动控制装置的控制单元100通过使流经风机叶片14表面的气流流经两个立板之间的区域产生涡流，将风机叶片14的边界层的外部能量掺和到边界层的内部，增加边界层内部能量，再通过排气组件的排气孔4喷出的气流带动涡流的涡心下移，进而加强边界层的能量混掺，进一步增加边界层内部能量，提高边界层抗分离能力。

本实施例的控制单元100的具体结构如图1所示，该控制单元100包括第一立板1、第二立板2、底板5、间隔板6、排气板3和送气机构8(送气机构8在图1中未画出)。底板5与间隔板6并排连接设置，第一立板1固定在底板5和间隔板6之间，第二立板2固定设置在底板5相对于第一立板1的另一侧，第一立板1和第二立板2之间的距离从前向后逐渐增加，排气板3设在底板5的后侧，排气板3的上表面开设有排气孔4，排气孔4靠近两个立板之间的后侧区域，排气板3内具有进气通道，进气通道与排气孔4连通，送气机构8的出气口与进气通道连通向排气孔4送气。通过多个不同的板状件组成控制单元100，方便加工和安装。将排气孔4设在排气板3上，避免在风机叶片14上直接开孔造成叶片结构损伤，同时也方便对排气孔4的设置位置进行调整。

本实施例中的送气机构8为气泵，该气泵具有多个功率等级，在不同功率等级下，气泵有不同的排气量，气泵通过输气管道10将气流引流至排气板3上的进气通道，再通过排气孔4喷出。

当然，在其它实施例中，也可不设置底板5和排气板3，第一立板1和第二立板2也可直接固定在风机叶片14的表面，排气孔4也可直接开在风机叶片14上。

如图2和图3所示，本实施例的底板5为前窄后宽的板状结构，底板5的宽度方向的厚度自前端向后端逐渐增加，底板5的上表面为流线型，以减小底板5前端对风的流动阻力。在该底板5的后端设有贯穿该底板5长度方向第一通道501和四个沿第一通道501的长度方向间隔设置第一连通口502。底板5的第一通道501和第一连通口502均为圆形通孔，四个第一连通口502与第一通道501相贯通。

如图1和图4所示，排气板3的厚度从前端向后端逐渐变小。且该排气板3与底板5对接安装时，排气板3的主体侧视轮廓与底板5主体侧视轮廓关于两者对接的垂直边轴对称，即排气板3的上表面也为流线型。排气板3的前端侧面具有四个沿排气板3长度方向间隔排列设置的凸起301，每个凸起301均具有一个第二连通口302，该第二连通口302与排气孔4之间一一对应连通。当底板5与排气板3对接时，每个凸起301均对应插入底板5上的第一连通口502内。凸起301的外径与底板5的第一连通口502的前端的安装内径相同，凸起301内的第二连通口302的气孔内径与第一连通口502的后端的气孔内径相同。通过上述结构，进入底板5第一通道501内的气流会通过四个第一连通口502进入排气板3内，然后再通过排气孔4喷出。

本实施例中的排气板3的厚度从前向后逐渐减小，可以降低经过排气板3表面风流的阻力，同时还方便使排气孔4的开口朝向经过风机叶片14表面的空气的流动方向，以便于使排气孔4喷出气体的气流方向与空气的来流速度方向一致，使气流的合成速度方向贴合风机叶片14的表面，有利于抑制边界层的气流分离。排气孔4靠近排气板3的前端设置，使排气孔4喷出的气流可以快速降低涡流的涡心。

在其它实施例中，底板5和排气板3的上表面也可只是平面，或者，底板5和排气板3的厚度从前端向后端都是相同的。

在本实施例中，通过设置多个排气孔4增加喷出气体的喷射范围，有利于气流带动涡流的涡心下移，进而加强边界层的能量混掺，增加边界层内部能量，提高边界层抗分离能力。

如图1和图7所示，该控制单元100还有间隔板6，间隔板6的主体侧视轮廓与底板5的主体侧视轮廓一致。在该间隔板6的后端也设有贯穿该间隔板6长度方向第二通道601，第二通道601为圆形通孔，其气孔内径与第一通道501的气孔内径相同。底板5和间隔板6沿长度方向对应安装时，第一通道501和第二通道601对应连通。

设置间隔板6的目的主要是使多个控制单元100组装时，相邻的涡流发生区域相隔一段距离，使各自涡流发生区域产生的涡流不会被相互影响。

在其它实施例中，也可不设置间隔板6，将底板5间隔设置，通过管道将不同底板5的第一通道501连通。

如图5和图6所示，本实施例中的第一立板1和第二立板2均为三角形的板状结构，两者的结构和大小相同，两个立板的高度从前向后逐渐增加。采用上述结构是为了能够在产生足够的涡流以延缓气流的流动分离。

在其它实施例中，第一立板1和第二立板2也可为梯形板或其它前低后高的异形板。

或者，在其它实施例中，第一立板1和第二立板2的前后两端的高度也可相同。

再次参照图5所示，第一立板1和第二立板2上均设有具有贯穿孔701的插入件7。如图8和图9所示，第一立板1和第二立板2通过插入件7安装于底板5和间隔板6之间，插入件7的一端插设于第一通道501内，插入件7的另一端插设于第二通道601内，第一通道501和第二通道601通过贯穿孔701连通。插入件7的两端的外径分别与第一通道501和第二通道601的安装内径相同，贯穿孔701的内径与第一通道501和第二通道601的气孔内径相同。

该控制单元100在组装完成后，底板5远离间隔板6的一端到间隔板6远离底板5的一端的距离与排气板3的长度相同。即，底板5的长度、间隔板6的长度与一个立板的厚度相加等于排气板3的长度。采用上述结构，便于形成规则的结构，便于加工和组装。

在其它实施例中，每个控制单元100的两个立板也可固定在底板5的上表面，底板5和间隔板6直接连接。或者，底板5和间隔板6为一个整体结构。又或者，底板5、间隔板6和排气板3为一个整体板状结构。本实施例中，采用多个分体板状结构，目的是为了方便加工，便于在板内开设气体通道，同时也方便后期安装和运输。

当然，在其它实施例中，也可将底板5和间隔板6作为一个整体结构，将排气板3分成多个组合板，以便于在排气板3的内部开设气体通道。

在本实施例中，空气流动控制装置还包括控制器9，控制器9用于综合来流风速、功率曲线、天气条件等信息控制气泵的不同功率等级，进而控制排气孔4喷射气体的量，使排气孔4喷出的气体更好地降低涡流的涡心。

如图10所示，本实施例中还公开了一种风力发电机组，该风力发电机组包含如下述的风机叶片14。该风机叶片14包含上述的空气流动控制装置。该风力发电机组通过在风机叶片14上设置空气流动控制装置，可有效地改善风机叶片14表面与外界的能量交换，提高风力发电机组对风能的利用率，提升发电量。

在本实施例中，该空气流动控制装置设于风机叶片14的叶根端的背风面侧。这是由于叶根区域极易出现边界层流动分离，造成叶片气动性能的下降，将空气流动控制装置靠近风机叶片14的叶根处设置，能够延缓叶根区域出现边界层流动分离。

安装时，第一立板1和第二立板2的前端之间形成第一开口，第一立板1和第二立板2的后端之间形成第二开口，第一开口朝向风机叶片14的前缘，第二开口朝向所述风机叶片14的后缘。采用上述结构安装，能够获得更大的涡流，有利于延缓气流的流动分离。

在其它实施例中，该空气流动控制装置还可以安装在风机叶片14的叶根端的迎风面、叶尖端的迎风面或叶尖端的背风面侧。

当然，在其它实施例中，该空气流动控制装置还可以设置在风机叶片14的迎风面或背风面的其它位置，也可整个迎风面或背风面都设置，或者迎风面和背风面都设置，其它安装位置或方式在此不再具体描述。

如图10所示，本发明的风力发电机组包括塔架11和安装在塔架11上端的机舱12，风机叶片14提供轮毂13安装在机舱12上。该空气流动控制装置的气泵和控制器9安装在机舱12内，气泵通过输气管道10与空气流动控制装置上的排气孔4连接。

将空气流动控制装置安装在风机叶片14表面的方式包含但不限于使用粘接胶水、双面胶带等安装介质，安装介质施加过程中不会堵塞空气流动控制装置中各组件的气体通道、气孔等通气部件，以防空气流动控制装置无法工作。

下面结合附图11(a)-11(g)对本实施例中通过双面胶带将空气流动控制装置的多个控制单元100安装在风机叶片14表面的过程进行描述：

如附图11(a)，在风机叶片14的表面做好标记线，在标记线两侧的第一胶带区域15和第二胶带区域16分别粘贴双面胶带，第一胶带区域15靠近叶片前缘，第二胶带区域16靠近叶片后缘。第一胶带区域15的双面胶带宽度与底板5的宽度一致，第二胶带区域16的双面胶带宽度与排气板3宽度一致。

如附图11(b)，将排气板3的前端边缘与标记线对齐，将排气板3安装到第二胶带区域16的双面胶带上。

如附图11(c)，将底板5后端边缘的第一连通口502的气孔与排气板3的前端的凸起301分别对齐，将底板5后端边缘与标记线对齐，对齐后将底板5安装到第一胶带区域15的双面胶带上。

如附图11(d)，将第一立板1的插入件7和第二立板2的插入件7分别插入底板5两端的第一通道501内，将第一立板1和第二立板2安装到第一胶带区域15的双面胶带上。

如附图11(e)，将间隔板6的第二通道601与第二立板2的插入件7的另一端对齐，将间隔板6的后端边缘与标记线对齐，将间隔板6安装到第一胶带区域15的双面胶带上。

如附图11(f)，依照上述的流程依次粘贴剩余的空气流动控制装置的控制单元100。

如附图11(g)，所有控制单元100安装完成后，将多余的双面胶带去除，完成控制单元100在叶片表面的安装。

将控制单元100安装到风机叶片14的表面后，将最靠近叶尖的一组控制单元100中的第一立板1的插入件7的贯穿孔701堵塞。通过输气管将最靠近叶根的一组控制单元100中的第二立板2的插入件7的贯穿孔701和气泵的出气口密封连接。

该空气流动控制装置既可以通过安装于风机叶片14表面的两个立板1和2产生涡流，将边界层外部气流掺杂到边界层内部，增加边界层气流动量，延缓失速，对风机叶片14表面气流进行被动流动控制；又可以在开启气泵的情况下，将气流从两个立板1和2后方的排气板3中的排气孔4喷出，向叶片边界层中注入能量，同时引导两个立板1和2产生的涡流涡心下移，对风机叶片14表面气流进行主动流动控制。通过以上两种流动控制方式的组合能更加有效地抑制边界层流动分离，防止风机叶片14失速造成的发电量损失。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。