一种叶片增功尾缘襟翼设计方法与流程

1.本发明涉及风力发电领域，特别涉及一种叶片增功尾缘襟翼设计方法。


背景技术：

2.风力机叶片作为风电机组捕获风能的主要部件，而决定叶片气动性能的因素有很多，如气动外形、翼型、结构等。叶片的设计以气动性能最优为主，而后通过迭代寻优，对叶片的结构外形进行优化设计，为满足机组运行时叶片的结构安全性、噪声控制、尾缘脱落涡控制等要求，势必使得叶片牺牲部分气动性能。
3.对叶片的增功方式有很多，常见的有延迟或抑制失速发生的涡流发生器、改善尾缘脱落涡并提高升阻比的格尼襟翼以及扰流板等，大都是通过在叶片表面粘贴或安装对应的增功附件来改善翼型和叶片的气动性能，提高叶片捕获风能的能力。因此对翼型和叶片的气动优化设计和增功装置一直都是风电机组空气动力学范畴的研究热点之一。
4.通过在翼型和叶片尾缘安装襟翼的形式，在航空业应用较为成熟广泛，特别是主动式襟翼或副翼。在风力机叶片中，常见的形式有尾缘带平板形式、燕尾翼、格尼襟翼等，但均未明确详细的设计思路、方法。


技术实现要素：

5.针对现有技术中缺乏明确详细的襟翼设计方法的问题，本发明提出一种叶片增功尾缘襟翼设计方法。
6.为达成上述目的，本发明技术方案如下：
7.一种叶片增功尾缘襟翼设计方法，包括如下步骤：
8.s1：计算叶片各截面在低于额定风速的不同风速下，对应的平均运行攻角、最优桨距角以及受力分布；
9.s2：对所述叶片翼型添加襟翼参数，并基于包括平均运行攻角和最优桨距角的判别依据，判别出最优襟翼参数；
10.s3：对于具有最优襟翼参数的翼型，建模并添加凹槽参数，模拟计算得到最优凹槽参数；
11.s4：对于具备最优凹槽参数的翼型，基于所述受力分布，确定满足安全性要求的襟翼安装位置。
12.进一步的，所述步骤s1中：
13.平均运行攻角和最优桨距角：采用gh bladed软件，在风速v
in
～v
rate
内的风速vi下，计算叶片各截面的平均运行攻角和最优桨距角，所述风速取值间隔为1～2m/s，v
in
表示切入风速，v
rate
表示风电机组额定功率对应的风速；
14.受力分布包括挥舞方向力、摆振方向力以及升力系数。
15.进一步的，所述步骤s2中包括：
16.对于所述叶片的翼型，通过rfoil软件进行2d计算，得出翼型的雷诺数re和马赫数
ma；
17.基于所述雷诺数re和马赫数ma，计算翼型在不同攻角α下的升力系数cl和阻力系数cd；
18.根据所述升力系数cl和阻力系数cd，计算最佳升阻比c
best
，得到对应的最优攻角α
best
[0019][0020]
进一步的，所述最优襟翼参数的判别依据包括：
[0021]
安装襟翼前后，翼型最佳升阻比对应最优攻角的变化小于2
°
；
[0022]
安装襟翼前后，叶片各截面最优桨距角的变化小于0.5
°
；
[0023]
安装襟翼前后，叶片各截面平均运行攻角的变化小于0.5
°
。
[0024]
进一步的，所述最优襟翼参数为满足判别依据，且最佳升阻比最大的襟翼参数。
[0025]
进一步的，所述攻角α取值范围为-10
°
～20
°
。
[0026]
进一步的，所述步骤s3中对于凹槽参数的模拟计算包括：
[0027]
采用流体仿真软件，对具备凹槽参数的翼型模型进行网格划分；
[0028]
通过瞬态和稳态计算，得到最佳升阻比；
[0029]
最佳升阻比最大时，对应的凹槽参数为最优凹槽参数。
[0030]
进一步的，所述步骤s4中包括：
[0031]
根据所述受力分布，初步确定襟翼的安装起始位置xstart和终止位置xend；
[0032]
采用gh bladed软件计算整机载荷安全性，若满足安全性要求则设计结束，若不满足安全性要求则优化安装起始位置xstart和终止位置xend，再次计算整机载荷安全性。
[0033]
进一步的，所述襟翼参数包括襟翼长度、襟翼厚度、下翻角度、楔形结构外形中的楔形角和楔形长度；
[0034]
所述凹槽参数包括凹槽宽度、凹槽深度、凹槽长度和凹槽斜度。
[0035]
进一步的，襟翼安装位置的两侧设有封边。
[0036]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0037]
第一、本发明从翼型设计、气动性能计算、布局位置分析、载荷计算以及安全性复核的设计全过程进行了约定，合理设计襟翼的结构外形，提升叶片的气动性能，增加捕获风能的能力；计算方法简单、高效、精确度高；设计凹槽，增加襟翼与气流接触的表面积，且襟翼最远端的凹槽会产生一定强度翼尖涡，对尾缘脱落涡有较好的破坏作用，减少诱导阻力损失。
[0038]
第二、襟翼的起止位置新增加封边设计，避免或降低形状突变产生的诱导阻力损失。
附图说明
[0039]
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0040]
在附图中：
[0041]
图1为本发明一种叶片增功尾缘襟翼设计方法翼型加装襟翼俯视图；
[0042]
图2为本发明一种叶片增功尾缘襟翼设计方法翼型侧视图；
[0043]
图3为本发明一种叶片增功尾缘襟翼设计方法总体流程示意图；
[0044]
图4为本发明一种叶片增功尾缘襟翼设计方法流程示意图；
[0045]
图5为本发明一种叶片增功尾缘襟翼设计方法翼型加装襟翼坐标图；
[0046]
图6为本发明实施例2中naca63421 rfoil不同外形的升力计算结果图；
[0047]
图7为本发明实施例2中naca63421翼型升阻比随襟翼长度变化趋势示意图；
[0048]
图8为本发明实施例2中基于升力系数的襟翼安装位置示意图；
[0049]
图9为本发明实施例2中基于挥舞载荷的襟翼安装位置示意图；
[0050]
图10为本发明一种叶片增功尾缘襟翼设计方法翼型加装襟翼放大图。
[0051]
图中1-叶片，2-襟翼，3-封边，4-凹槽。
具体实施方式
[0052]
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0053]
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
[0054]
风力机通过风轮进行捕获风能，叶片作为风轮的主要组成部分，其气动性能的优劣将直接影响风力机的捕获风能能力。叶片的气动性能由翼型分布、翼型气动性能、扭角、弦长、厚度等参数决定。如图1和图2所示，襟翼2安装在翼型1尾缘位置，通过增加叶片的截面弦长和上下翼型表面压力差来增大叶片的风能捕获能力，主要原理是由于襟翼所在叶片展向位置为叶片外侧，更靠近叶尖区域，此区域的主要特点是：叶片主出力位置；翼型相对厚度较薄，18％～25％；线速度大；翼型表面气流多未发生分离；翼型气动性能较佳。
[0055]
实施例1
[0056]
如图3所示，一种叶片增功尾缘襟翼设计方法，步骤包括：
[0057]
步骤1：计算叶片各截面位置在低于额定风速的各风速下，对应的平均运行攻角和受力分布；
[0058]
步骤:2：通过平均运行攻角，设计并计算襟翼外形及参数；
[0059]
步骤3：通过襟翼外形及参数，计算得到最优凹槽参数；
[0060]
步骤4：通过最优凹槽参数及步骤1中的受力分布，确定满足安全性要求的襟翼安装位置。
[0061]
具体步骤如图4所示。
[0062]
所述步骤1包括如下：
[0063]
通过gh bladed软件计算出叶片各截面位置在低于额定风速的各风速下对应的平均运行攻角和受力分布。
[0064]
步骤11：对风电机组叶片所用的标准特定翼型，采用gh bladed软件，在风速v
in
～v
rate
内的风速vi下，计算一定时间内叶片各截面的平均运行攻角和最优桨距角，风速取值间隔为1～2m/s，v
in
表示切入风速、v
rate
表示额定功率对应的风速；
[0065]
步骤12：在每个风速vi下，计算叶片各截面受力分布，受力分布包括挥舞方向力f
flapforce
、摆振方向力f
edgeforce
以及升力系数cli，如图8和图9所示，分别为叶片各截面位置的升力系数曲线图和挥舞方向力曲线图；
[0066]
所述步骤2包括如下：
[0067]
步骤21：对风电机组叶片所用标准特定的翼型，通过rfoil软件进行2d计算，得出雷诺数re和马赫数ma，计算时需考虑空气密度、温度、湿度和风轮转速等条件的影响，公式如下：
[0068][0069]
式中ρ表示空气密度，v表示气流流速，l表示翼型特征长度，υ表示动力黏性系数；
[0070][0071]
式中，a表示空气中的音速。
[0072]
步骤22：基于步骤21确定的雷诺数re和马赫数ma，计算翼型在不同攻角α下的升力系数cl和阻力系数cd，攻角α取值范围为-10
°
～20
°
。
[0073]
步骤23：根据上述升力系数cl和阻力系数cd，计算最佳升阻比c
best
，得到与之对应的最优攻角α
best
，公式如下：
[0074][0075]
步骤24：基于rfoil或xfoil软件，通过调整风电机组叶片翼型尾缘区域的压力面和吸力面的坐标值，得到不同的襟翼参数，实现不同襟翼长度、楔形结构、厚度、下翻角度等基本参数变化，对应不同的襟翼气动外形。计算时，需将坐标值进行归一化。如图5所示，风电机组叶片翼型尾缘区域被二维投影到坐标轴上。
[0076]
步骤25：针对上述不同的襟翼参数，根据判别依据确定最优的襟翼参数，得到翼型加装襟翼后最优的气动外形；
[0077]
评价襟翼参数是否最优的依据是：
[0078]
安装襟翼前后，翼型最佳升阻比对应最优攻角的变化小于2
°
，即|α
best-α’best
|≤θ，θ＝2
°
，α’best
为安装襟翼后翼型的最优攻角，功能在于防止阻力系数增加过大，降低失速风险；
[0079]
安装襟翼前后，叶片各截面最优桨距角的变化小于0.5
°
；
[0080]
安装襟翼前后，叶片各截面平均运行攻角的变化小于0.5
°
，|α’n-αn|≤0.5
°
，α’n
是安装襟翼后叶片各截面的平均运行攻角，避免安装尾缘襟翼后转速的波动；
[0081]
满足上述三条判断依据后，挑选最佳升阻比最大，即c’best
最大所对应的襟翼参数，即为最优襟翼参数。
[0082]
最优襟翼参数包括襟翼长度、襟翼厚度、下翻角度、楔形结构外形中的楔形角和楔形长度；
[0083]
步骤3：基于上述具有最优襟翼参数的翼型，添加凹槽参数并计算得到最优凹槽参数，凹槽参数包括凹槽宽度、凹槽深度、凹槽长度和凹槽斜度；
[0084]
步骤31：通过三维软件，将具有最优襟翼参数的翼型建模出3d模型，如图10所示，在襟翼2下表面，即非粘接面侧沿气流方向开设有若干凹槽4，得到开槽翼型模型；
[0085]
步骤32：使用专业cfd流体仿真软件，对上述开槽翼型模型进行网格划分，并通过瞬态和稳态计算，得到开槽翼型的最佳升阻比；
[0086]
步骤33：优化凹槽参数，再次执行步骤32，当开槽翼型的最佳升阻比最大时，对应的凹槽参数为最优凹槽参数。
[0087]
步骤4：通过最优凹槽参数及步骤1中的受力分布，确定满足安全性要求的襟翼安装位置，具体包括：
[0088]
步骤41：根据步骤12中叶片各截面受力分布，初步确定襟翼的安装起始位置xstart和终止位置xend；
[0089]
步骤42：采用gh bladed软件计算整机载荷安全性，若满足安全性要求则设计结束；若不满足安全性要求则优化安装起始位置xstart和终止位置xend，再次计算整机载荷安全性。
[0090]
优选的，对于风力机常用du系列、naca系列及其他优化翼型，建议襟翼长度范围为40mm～70mm、襟翼厚度小于等于原叶片尾缘厚度、楔形角范围为10～45
°
、楔形长度范围为0.25*l1～0.35*l1、下翻角度范围为4～9
°
；凹槽长度大于等于襟翼长度、凹槽宽度范围为2～10mm、凹槽深度小于等于襟翼厚度、斜度范围为85～95
°
。
[0091]
优选的，襟翼的安装起始位置xstart和终止位置xend的两侧设计有封边外形，用以减少外形突变形成的脱落涡，降低诱导阻力。
[0092]
襟翼的凹槽增加受力面积可以进一步优化提升效果的同时，襟翼后缘的尾迹脱落涡还具有一定的降噪效果。
[0093]
襟翼可以安装在翼型或叶片主体的压力面，也可以安装在吸力面
[0094]
安装固定方式可以是粘接也可以是铆接、螺栓固定等方式。
[0095]
实施例2
[0096]
以naca63421翼型为例，对襟翼和凹槽的外形尺寸按照本发明的内容进行设计计算。rfoil不同外形的升力计算结果如图6所示，图中mach＝0.15，re＝3e6。襟翼下翻角、厚度、楔形结构外形的计算如实施例1相同。翼型升阻比随襟翼长度变化趋势如图7所示。
[0097][0098]
[0099][0100]
将确定好的襟翼外形尺寸与naca63421翼型结构在三维建模软件中建模，对表面凹槽进行尺寸设计，通过专业流体计算软件进行网格划分、稳态计算和瞬态计算迭代，得到最优的凹槽参数和气动效果。
[0101]
最终计算结果表明，naca63421翼型安装带有凹槽的襟翼后，最佳升阻比由原来的
145.1提升至168.8，提高16.33％。
[0102]
通过风力机载荷专业仿真软件gh bladed计算某1.5mw机组叶片3～11m/s风速下各截面挥舞和摆振方向的力以及升力系数分布，如图8和图9所示，分别为叶片各截面位置的升力系数曲线图和挥舞方向力曲线图。
[0103]
基于挥舞、摆振和升力系数截面分布情况，以及载荷计算后对所有零部件的安全性校核结论，最终给出襟翼的安装位置建议为27～39m。按照a＝6m/s和k＝2weibull风频分布，计算出安装襟翼后的机组年发电量提升2.1％。
[0104]
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
[0105]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种叶片增功尾缘襟翼设计方法，其特征在于，包括如下步骤：s1：计算叶片各截面在低于额定风速的不同风速下，对应的平均运行攻角、最优桨距角以及受力分布；s2：对所述叶片翼型添加襟翼参数，并基于包括平均运行攻角和最优桨距角的判别依据，判别出最优襟翼参数；s3：对于具有最优襟翼参数的翼型，建模并添加凹槽参数，模拟计算得到最优凹槽参数；s4：对于具备最优凹槽参数的翼型，基于所述受力分布，确定满足安全性要求的襟翼安装位置。2.根据权利要求1中所述的叶片增功尾缘襟翼设计方法，其特征在于，所述步骤s1中：平均运行攻角和最优桨距角：采用gh bladed软件，在风速v
in
～v
rate
内的风速v
i
下，计算叶片各截面的平均运行攻角和最优桨距角，所述风速取值间隔为1～2m/s，v
in
表示切入风速，v
rate
表示风电机组额定功率对应的风速；受力分布包括挥舞方向力、摆振方向力以及升力系数。3.根据权利要求1中所述的叶片增功尾缘襟翼设计方法，其特征在于，所述步骤s2中包括：对于所述叶片的翼型，得出翼型的雷诺数re和马赫数ma；基于所述雷诺数re和马赫数ma，通过rfoil软件进行2d计算，计算翼型在不同攻角α下的升力系数cl和阻力系数cd；根据所述升力系数cl和阻力系数cd，计算最佳升阻比c
best
，得到对应的最优攻角α
best
4.根据权利要求3中所述的叶片增功尾缘襟翼设计方法，其特征在于，所述最优襟翼参数的判别依据包括：安装襟翼前后，翼型最佳升阻比对应最优攻角的变化小于2
°
；安装襟翼前后，叶片各截面最优桨距角的变化小于0.5
°
；安装襟翼前后，叶片各截面平均运行攻角的变化小于0.5
°
。5.根据权利要求4中所述的叶片增功尾缘襟翼设计方法，其特征在于，所述最优襟翼参数为满足判别依据，且最佳升阻比最大的襟翼参数。6.根据权利要求3中所述的叶片增功尾缘襟翼设计方法，其特征在于，所述攻角α取值范围为-10
°
～20
°
。7.根据权利要求1中所述的叶片增功尾缘襟翼设计方法，其特征在于，所述步骤s3中对于凹槽参数的模拟计算包括：采用流体仿真软件，对具备凹槽参数的翼型模型进行网格划分；通过瞬态和稳态计算，得到最佳升阻比；最佳升阻比最大时，对应的凹槽参数为最优凹槽参数。8.根据权利要求1中所述的叶片增功尾缘襟翼设计方法，其特征在于，所述步骤s4中包括：
根据所述受力分布，初步确定襟翼的安装起始位置xstart和终止位置xend；采用gh bladed软件计算整机载荷安全性，若满足安全性要求则设计结束，若不满足安全性要求则优化安装起始位置xstart和终止位置xend，再次计算整机载荷安全性。9.根据权利要求1中所述的叶片增功尾缘襟翼设计方法，其特征在于，所述襟翼参数包括襟翼长度、襟翼厚度、下翻角度、楔形结构外形中的楔形角和楔形长度；所述凹槽参数包括凹槽宽度、凹槽深度、凹槽长度和凹槽斜度。10.根据权利要求1中所述的叶片增功尾缘襟翼设计方法，其特征在于，襟翼安装位置的两侧设有封边。

技术总结
本发明涉及风力发电领域，特别涉及一种叶片增功尾缘襟翼设计方法，包括如下步骤：计算叶片各截面在低于额定风速的不同风速下，对应的平均运行攻角、最优桨距角以及受力分布；对所述叶片翼型添加襟翼参数，并基于包括平均运行攻角和最优桨距角的判别依据，判别出最优襟翼参数；对于具有最优襟翼参数的翼型，建模并添加凹槽参数，模拟计算得到最优凹槽参数；对于具备最优凹槽参数的翼型，基于所述受力分布，确定满足安全性要求的襟翼安装位置。针对叶片展向外侧靠近叶尖区域的16～25％相对厚度翼型主体，可以较好的提高翼型主体的升力系数和升阻比，具有较好的增功和降噪效果。具有较好的增功和降噪效果。具有较好的增功和降噪效果。


技术研发人员：张林伟 虞小兵 蔡安民 陈浩 彭阁 李林川 林伟荣 李力森 李媛 许扬 金强
受保护的技术使用者：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司
技术研发日：2021.12.08
技术公布日：2022/3/8