本發(fā)明涉及主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于聯(lián)合射流技術(shù)的風(fēng)力機(jī)葉片流動(dòng)控制裝置及其控制方法。

背景技術(shù)：

20世紀(jì)70年代初期，由于受到“石油危機(jī)”的沖擊，許多國(guó)家都在探索能源多樣化的途徑，以解決資源緊缺的問題。傳統(tǒng)的風(fēng)能作為無(wú)污染、可再生的自然能源又重新引起了人們的重視。

風(fēng)力機(jī)是風(fēng)能工程中的核心，它是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或電能的裝置。獲取風(fēng)能的成本主要為風(fēng)力機(jī)在使用期的能量捕獲成本和維護(hù)成本。其中風(fēng)輪葉片又是風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵部件，因此，從風(fēng)能產(chǎn)業(yè)初期，人們就一直試圖增加風(fēng)輪直徑和發(fā)電機(jī)尺寸，只為在其使用期能獲取更多的風(fēng)能。然而，由于葉片尺寸的增大，結(jié)構(gòu)和疲勞載荷成為不可忽視的問題，這也是風(fēng)力機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的重要因素。結(jié)構(gòu)和疲勞載荷主要來(lái)源于動(dòng)態(tài)失速。風(fēng)力機(jī)葉片的剖面形狀稱之為風(fēng)力機(jī)翼型，它對(duì)風(fēng)力機(jī)性能有很大的影響。風(fēng)力機(jī)葉片在經(jīng)歷任何一種非定常的來(lái)流迎角變化，特別是在超過(guò)其葉素翼型的臨界迎角時(shí)，容易發(fā)生氣流的非定常分離而導(dǎo)致葉片出現(xiàn)失速，即動(dòng)態(tài)失速。例如，自然界中來(lái)流風(fēng)速風(fēng)向不斷變化，使得風(fēng)力機(jī)常常處于偏航狀態(tài)，風(fēng)力機(jī)作偏航運(yùn)動(dòng)時(shí)，葉片各剖面處的迎角呈周期性變化等，使得葉片上的載荷也呈周期性變化，容易誘發(fā)動(dòng)態(tài)失速。因此，受葉片振蕩、地面邊界層、大氣湍流、偏航和塔架陰影等多種因素的影響，風(fēng)力機(jī)在很大一部分運(yùn)行時(shí)間都遭受動(dòng)態(tài)失速的影響。

動(dòng)態(tài)失速發(fā)生的機(jī)理相比靜態(tài)失速要復(fù)雜得多，其對(duì)翼型和葉片上的力和力矩也有很大的影響。當(dāng)風(fēng)力機(jī)在失速狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，最大輸出功率和最大葉片載荷往往會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，使風(fēng)力機(jī)葉片處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。處于失速狀態(tài)的風(fēng)輪在高風(fēng)速下產(chǎn)生的高于設(shè)計(jì)值的動(dòng)力輸出，非常容易引發(fā)發(fā)電機(jī)的損壞及電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定等非正?，F(xiàn)象。

同時(shí)，動(dòng)態(tài)失速也是非定常氣動(dòng)載荷和氣動(dòng)噪聲的主要來(lái)源。隨著風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，更多的風(fēng)力機(jī)可能要分布在一些居民區(qū)，這對(duì)附近居民的舒適度會(huì)有很大的影響。

因此對(duì)動(dòng)態(tài)失速的控制有著十分重要的意義。

另一方面，風(fēng)力機(jī)有著自身的切入速度，即可以運(yùn)行發(fā)電的最低來(lái)流速度，其在低于此風(fēng)速的條件下會(huì)自動(dòng)停機(jī)。而在自然風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下，風(fēng)力機(jī)時(shí)常會(huì)處于低風(fēng)速的工作條件，這時(shí)傳統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)只能產(chǎn)生很少的電能或者不能啟動(dòng)工作，這就大大限制了風(fēng)力機(jī)可以部署的區(qū)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種基于聯(lián)合射流技術(shù)的風(fēng)力機(jī)葉片流動(dòng)控制裝置及其控制方法，能夠有效降低風(fēng)力機(jī)葉片的切入風(fēng)速、增大風(fēng)力機(jī)輸出功率、抑制動(dòng)態(tài)失速。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種基于聯(lián)合射流技術(shù)的風(fēng)力機(jī)葉片流動(dòng)控制裝置，葉片上安裝有一個(gè)聯(lián)合射流裝置，其特征在于，所述聯(lián)合射流裝置包括高壓氣室、前緣噴氣口、低壓氣室和后緣吸氣口，所述高壓氣室與前緣吹氣口相通，所述低壓氣室與后緣吸氣口相通，高壓氣室與低壓氣室通過(guò)氣流管道與機(jī)艙內(nèi)的氣泵裝置相連通；前緣噴氣口位于距翼型前緣6％c位置處，噴口高度為0.65％c，后緣吸氣口位于距翼型前緣80％c位置處，吸氣口高度為1.83％c，其中，c為翼型弦長(zhǎng)，吸氣口高度比噴氣口高度略高是防止吸氣過(guò)程中發(fā)生壅塞現(xiàn)象。

每片葉片上的聯(lián)合射流裝置中的高壓氣室的高壓氣體由風(fēng)力機(jī)機(jī)艙內(nèi)部的氣泵提供，通過(guò)前緣噴口噴出，由后緣吸口吸入低壓氣室，低壓氣室的氣體再由回流通道和氣泵輸送到高壓氣室。

所述聯(lián)合射流裝置沿葉片展向連續(xù)或離散分布。

上述一種基于聯(lián)合射流技術(shù)的風(fēng)力機(jī)葉片流動(dòng)控制裝置的控制方法，包括如下步驟：

S1、當(dāng)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)達(dá)到相應(yīng)的工作條件，即風(fēng)速適合風(fēng)力機(jī)發(fā)電時(shí)，風(fēng)力機(jī)開始常規(guī)工作，此時(shí)沒有打開噴口；

S2、當(dāng)風(fēng)力機(jī)的常規(guī)工作狀態(tài)穩(wěn)定后，通過(guò)安裝在風(fēng)力機(jī)葉片上的氣壓傳感裝置檢測(cè)來(lái)流的迎角和速度，根據(jù)來(lái)流的迎角和速度確定相應(yīng)的設(shè)定射流動(dòng)量系數(shù)，并根據(jù)設(shè)定射流動(dòng)量系數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)氣泵功率大??；

S3、氣泵開始工作，噴口開始噴出射流，同時(shí)吸氣口開始吸氣，當(dāng)噴口的射流和吸氣口的吸氣流穩(wěn)定后，通過(guò)安裝在噴口處的氣壓傳感裝置檢測(cè)噴口處的氣壓和速度，計(jì)算實(shí)時(shí)射流動(dòng)量系數(shù)并與設(shè)定射流動(dòng)量系數(shù)比較，獲得相應(yīng)的比較結(jié)果；

S4、將比較結(jié)果反饋給氣泵，調(diào)節(jié)氣泵的功率大小，重復(fù)反饋和調(diào)節(jié)過(guò)程，直到噴口的實(shí)時(shí)射流動(dòng)量系數(shù)與設(shè)定射流動(dòng)量系數(shù)相同為止，并保持該工作狀態(tài)；

S5、當(dāng)外部風(fēng)場(chǎng)變化時(shí)，根據(jù)不同的工況可重復(fù)步驟S2到步驟S4以獲得新的設(shè)定射流動(dòng)量系數(shù)，再進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，最終工作在穩(wěn)定狀態(tài)。

其中，所述射流動(dòng)量系數(shù)定義如下：

其中，C_μ為射流動(dòng)量系數(shù)；為質(zhì)量流率；V_j為噴口處的射流速度；ρ_∞為自由來(lái)流密度；V_∞為自由來(lái)流速度；S為葉片參考面積。

本發(fā)明具有以下有益效果：

與無(wú)聯(lián)合射流裝置的風(fēng)輪葉片相比，通過(guò)應(yīng)用聯(lián)合射流流動(dòng)控制技術(shù)至少可以達(dá)到以下三點(diǎn)效果：(1)在聯(lián)合射流的作用下，在低風(fēng)速下能極大地提升風(fēng)力機(jī)葉片的升力，使風(fēng)力機(jī)可以在較小的風(fēng)速下即可啟動(dòng)工作，因此可以顯著減小切入風(fēng)速，有效利用風(fēng)力資源；(2)正常工作狀態(tài)下，聯(lián)合射流使得風(fēng)力機(jī)的葉片沿整個(gè)展向有著整體氣動(dòng)性能的提升，即各個(gè)剖面翼型的升力增加，阻力減小，氣動(dòng)效率提高，也就意味著，輸出功率得到大幅提高；(3)由于有效抑制了大氣湍流、偏航等引起的動(dòng)態(tài)失速的發(fā)生，本發(fā)明可以減緩由動(dòng)態(tài)失速引起的葉片和機(jī)艙塔架的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，從而減小了風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和疲勞載荷，延長(zhǎng)了其使用壽命。

附圖說(shuō)明

圖1為風(fēng)力機(jī)翼型S809原始翼型圖

圖2為應(yīng)用聯(lián)合射流后的風(fēng)力機(jī)翼型S809-CFJ翼型概念圖

圖3為應(yīng)用聯(lián)合射流后的風(fēng)力機(jī)葉片外形圖

圖4為應(yīng)用聯(lián)合射流后的葉片在A-A處的剖視圖

圖5為迎角為20.15°時(shí)S809原始翼型的流場(chǎng)圖

圖6為迎角為20.15°時(shí)S809-CFJ翼型的流場(chǎng)圖

圖中：1-噴氣口；2-吸氣口；3-高壓氣室；4-低壓氣室。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)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。

如圖2-4所示，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于聯(lián)合射流技術(shù)的風(fēng)力機(jī)葉片流動(dòng)控制裝置，葉片上安裝有一個(gè)聯(lián)合射流裝置，其特征在于，所述聯(lián)合射流裝置包括高壓氣室、前緣噴氣口、低壓氣室和后緣吸氣口，所述高壓氣室與前緣吹氣口相通，所述低壓氣室與后緣吸氣口相通，高壓氣室與低壓氣室通過(guò)氣流管道與機(jī)艙內(nèi)的氣泵裝置相連通；前緣噴氣口位于距翼型前緣6％c位置處，噴口高度為0.65％c，后緣吸氣口位于距翼型前緣80％c位置處，吸氣口高度為1.83％c，其中，c為翼型弦長(zhǎng)，吸氣口高度比噴氣口高度略高是防止吸氣過(guò)程中發(fā)生壅塞現(xiàn)象。

每片葉片上的聯(lián)合射流裝置中的高壓氣室的高壓氣體由風(fēng)力機(jī)機(jī)艙內(nèi)部的氣泵提供，通過(guò)前緣噴口噴出，由后緣吸口吸入低壓氣室，低壓氣室的氣體再由回流通道和氣泵輸送到高壓氣室。

所述聯(lián)合射流裝置沿葉片展向連續(xù)或離散分布。

在自然風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)達(dá)到相應(yīng)的工作條件，即風(fēng)速適合風(fēng)力機(jī)發(fā)電時(shí)，風(fēng)力機(jī)開始常規(guī)工作，即沒有打開噴口。當(dāng)風(fēng)力機(jī)的常規(guī)工作狀態(tài)穩(wěn)定后，通過(guò)安裝在風(fēng)力機(jī)葉片上的氣壓傳感裝置測(cè)出來(lái)流的迎角和速度。根據(jù)來(lái)流的迎角和速度設(shè)定相應(yīng)的設(shè)定射流動(dòng)量系數(shù)，根據(jù)設(shè)定射流動(dòng)量系數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)氣泵壓力大小，氣泵置于機(jī)艙內(nèi)部，通過(guò)輸氣管道經(jīng)由風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)軸與葉片內(nèi)的高壓氣室和低壓氣室連通。由于氣泵給高壓氣室加壓，使得高壓氣室內(nèi)氣壓大于外界大氣壓，于是高壓氣體從噴口噴出，在前緣形成吹氣。同時(shí)，后緣低壓氣室的氣壓低于后緣外流的氣壓，從而在后緣噴口處形成吸氣，吸入低壓氣室的氣體再由輸氣管道經(jīng)由轉(zhuǎn)軸回流至氣泵，循環(huán)使用。

當(dāng)噴口的射流和吸氣口的吸氣流相對(duì)穩(wěn)定后，通過(guò)安裝在噴口處的氣壓傳感裝置檢測(cè)噴口處的氣壓和速度，計(jì)算實(shí)時(shí)射流動(dòng)量系數(shù)并與設(shè)定射流動(dòng)量系數(shù)比較，獲得相應(yīng)的比較結(jié)果；將比較結(jié)果反饋給氣壓泵，調(diào)節(jié)氣壓泵的壓力大小，重復(fù)反饋和調(diào)節(jié)過(guò)程，直到噴口的實(shí)時(shí)射流動(dòng)量系數(shù)與設(shè)定射流動(dòng)量系數(shù)相同為止，并保持該工作狀態(tài)。

當(dāng)外部風(fēng)場(chǎng)變化時(shí)，需要隨時(shí)變化射流動(dòng)量系數(shù)，以保持風(fēng)力機(jī)始終處于高效的工作狀態(tài)，此時(shí)則根據(jù)不同的工況重復(fù)以上操作以獲得新的設(shè)定射流動(dòng)量系數(shù)，再進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)最終又工作在一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)。

具體步驟如下：

S1、當(dāng)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)達(dá)到相應(yīng)的工作條件，即風(fēng)速適合風(fēng)力機(jī)發(fā)電時(shí)，風(fēng)力機(jī)開始常規(guī)工作，此時(shí)沒有打開噴口；

S2、當(dāng)風(fēng)力機(jī)的常規(guī)工作狀態(tài)穩(wěn)定后，通過(guò)安裝在風(fēng)力機(jī)葉片上的氣壓傳感裝置檢測(cè)來(lái)流的迎角和速度，根據(jù)來(lái)流的迎角和速度確定相應(yīng)的設(shè)定射流動(dòng)量系數(shù)，并根據(jù)設(shè)定射流動(dòng)量系數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)氣泵功率大?。?/p>

S3、氣泵開始工作，噴口開始噴出射流，同時(shí)吸氣口開始吸氣，當(dāng)噴口的射流和吸氣口的吸氣流穩(wěn)定后，通過(guò)安裝在噴口處的氣壓傳感裝置檢測(cè)噴口處的氣壓和速度，計(jì)算實(shí)時(shí)射流動(dòng)量系數(shù)并與設(shè)定射流動(dòng)量系數(shù)比較，獲得相應(yīng)的比較結(jié)果；

S4、將比較結(jié)果反饋給氣泵，調(diào)節(jié)氣泵的功率大小，重復(fù)反饋和調(diào)節(jié)過(guò)程，直到噴口的實(shí)時(shí)射流動(dòng)量系數(shù)與設(shè)定射流動(dòng)量系數(shù)相同為止，并保持該工作狀態(tài)；

S5、當(dāng)外部風(fēng)場(chǎng)變化時(shí)，根據(jù)不同的工況可重復(fù)步驟S2到步驟S4以獲得新的設(shè)定射流動(dòng)量系數(shù)，再進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，最終工作在穩(wěn)定狀態(tài)。

由于噴口很窄，當(dāng)高壓氣室內(nèi)氣壓較大時(shí)，氣體通過(guò)噴口的速度會(huì)很大，從而形成高速射流。射流的強(qiáng)弱可以用射流動(dòng)量系數(shù)來(lái)表示，該系數(shù)的值越大表示射流強(qiáng)度越大。射流動(dòng)量系數(shù)C_μ是一個(gè)無(wú)量綱的系數(shù)，類似于翼型的升阻力系數(shù)，直接反映射流強(qiáng)弱，是決定其性能特性的重要參數(shù)，定義如下：

其中，為質(zhì)量流率，V_j為噴口處的射流速度，ρ_∞為自由來(lái)流密度，V_∞為自由來(lái)流速度，S為葉片參考面積。。

本發(fā)明中聯(lián)合射流可以使風(fēng)力機(jī)在較小的風(fēng)速下就要啟動(dòng)工作，是由于射流裝置加速了翼型上表面的氣流，延遲了分離，增加了翼型的環(huán)量，進(jìn)而增加了升力，提高了轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，同時(shí)也提高了輸出功率。

聯(lián)合射流控制技術(shù)延遲翼型上表面氣流分離的主要原因有：一、前緣吹氣向流場(chǎng)中注入能量，增加了翼型上表面前緣近壁區(qū)內(nèi)氣流的動(dòng)能，從而能夠抵抗前緣逆壓梯度而不發(fā)生分離；二、后緣吸氣增加了上表面后緣近壁區(qū)內(nèi)氣流的速度，從而能夠克服后緣逆壓梯度避免發(fā)生分離。

風(fēng)力機(jī)葉片S809翼型的數(shù)值模擬結(jié)果表明，本發(fā)明具有很好的流動(dòng)控制效果。在馬赫數(shù)Ma＝0.076，雷諾數(shù)Re＝6×10⁶，迎角AOA＝20.15°的情況下，原始翼型(即S809)的升力系數(shù)C_L＝1.007，阻力系數(shù)C_D＝0.215；設(shè)置有聯(lián)合射流的翼型(即S809-CFJ，其中CFJ表示Co-Flow Jet的縮寫形式)在其它參數(shù)不變的情況下，射流動(dòng)量系數(shù)C_μ＝0.12時(shí)的升力系數(shù)C_L＝2.527，阻力系數(shù)C_D＝0.015?？梢姡?lián)合射流使得升力系數(shù)增大至2.509倍，阻力系數(shù)減小至僅為原來(lái)的7％，起到了大幅增升減阻的效果。

圖5為S809原始翼型在迎角為20.15°時(shí)的流場(chǎng)圖，此時(shí)翼型已失速，上表面流動(dòng)嚴(yán)重分離，在后緣有很大的分離渦。圖6為S809-CFJ翼型在迎角為20.15°時(shí)的流場(chǎng)圖，此時(shí)由于采用了聯(lián)合射流控制技術(shù)，翼型上表面的流速增加，進(jìn)而環(huán)量增加，升力系數(shù)增大，為原始翼型的2.509倍；同時(shí)，聯(lián)合射流向邊界層內(nèi)注入了能量，有效抑制了翼型在此大迎角下的流動(dòng)分離。阻力系數(shù)顯著降低，一方面是由于抑制了流動(dòng)分離，減小了阻力，另一方面是由于聯(lián)合射流裝置本身提供了一個(gè)向前的反作用力，抵消了部分阻力，從而大大減小了阻力系數(shù)。

因此，從數(shù)值模擬的結(jié)果可以看出，聯(lián)合射流對(duì)升力系數(shù)的提升、阻力系數(shù)的降低、失速的抑制效果都十分明顯。本發(fā)明所提出的風(fēng)力機(jī)葉片聯(lián)合射流裝置可以使風(fēng)力機(jī)葉片在不同工況下的工作效率比不使用聯(lián)合射流工作狀態(tài)下的效率都有很大程度的提高。而且，聯(lián)合射流通過(guò)氣泵回流裝置實(shí)現(xiàn)氣體循環(huán)利用，能量消耗低，使用可控性高，可以在不同的工況下，通過(guò)調(diào)節(jié)噴口大小以及氣泵功率大小，使風(fēng)力機(jī)達(dá)到最佳的工作狀態(tài)。

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(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。