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风力机桨尖喷气技术

日期:2018-09-18    来源:CWPI风电设计研究院

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2018
09/18
09:08
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关键词: 风力机 风力机叶片 风能

  风力机是一种能够将流动空气的动能转化为机械能、电能的装置。其中,风机对流动空气中能量的转化率可用Cp表示,即风能利用效率。根据动量-叶素理论,风力机存在一个风能利用效率极限,即贝兹极限,极限Cp=0.593。目前市场上风力机的风能利用效率在0.5左右,没有达到理论的极限值,因此仍有提高风力机输出功率的潜力。目前提高风机输出功率有加装涡流发生器、襟翼、桨尖喷气等方式。
 
  涡流发生器、襟翼均已在航空业得到广泛的应用,涡流发生器的推延流动分离、襟翼的增大翼型的弦长和弯度,均是能够提高风力机叶片翼型的升阻比特性,提高风轮的输出功率,但是对于风轮直径达到百米的风力机而言,并不能完全移植来自航空业的技术,三维旋转流动、展向流动等复杂流场造成涡流发生器和襟翼应用的困难。桨尖喷气作为一种新提出的增功设计方案,能够摆脱上述的局限,越来越引起研究人员的关注。
 
  风力机叶片在工作中,距轮毂中心不同半径位置的截面,有着不同的相对来流速度,越靠近叶尖,气流的相对速度越高。这造成了风机输出主要来源于风轮扫掠面中外围,而靠近风轮扫掠面中心的部分做功相对较少。
 
  在风轮转动时,气流在叶片内部受到离心力作用,桨尖喷气就是利用受到离心作用的这股气流,在靠近叶尖的位置喷出,增大风轮的转矩,提高风轮的输出功率。桨尖喷气需要在轮毂处开口,引入来流。经过轮毂、中空叶片的旋转加速,喷气位置位于叶尖,一是充分利用风轮转动的离心作用,距扫略中心越远,气流转动速度越快。二是风机风轮做功主要来源于风轮扫略面外围,因此从叶尖处喷气能够最大限度的提高风轮做功。
 
  桨尖喷气中,位于桨尖的喷气口位置、喷气角度是目前研究的重点。一种设计思路是纯粹利用喷气气流产生的反推力来增加风轮转矩,喷气口位置通常位于翼型截面尾缘,研究人员通过实验和数值模拟方式对喷气口位置、尺寸以及喷气角度进行研究,找出最佳的布局方式。另一种思路是在喷气位置进行考虑,利用喷气气流对叶尖截面翼型表面流场产生影响,喷气气流速度较快,携带更多的能量,若喷气口位置设计得当,能够有效将喷气气流掺混到翼型表面的附面层低能区域,饱满其速度型,降低逆压梯度,能够有效的延缓翼型表面的流动分离,同时增大翼型的扰流环量,增大翼型的升力的同时能够减少其阻力,提高截面翼型的气动性能,从而在气动方面提高风轮的转矩。目前只能通过数值模拟方式进行研究。
 
  桨尖喷气通过轮毂引入气流,利用风轮旋转时的离心作用,在风机叶片喷出,增加了风轮旋转的转矩,从而能够有效提高风力机的输出功率,具有很大的增功潜能。同时,目前的研究表明,影响桨尖喷气效果的因素有很多,从增大风轮转矩的方式有纯喷气式和喷气射流改善流场的气动性能方式,从喷气口位置分有叶尖翼型吸力面喷气口、压力面喷气口、尾缘喷气等,从喷气口截面有等截面式和收缩孔式,这些因素均会影响风力机桨尖喷气增功的效果。
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