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风力机叶片气动控制技术浅析

2015-12-14 来源:复合材料译评站 浏览数:1314

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  图2-8 使用翼刀前后的流线对比(来自R. Chow, C.P. van Dam,2010)
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  图2-9 Repower机组上使用的LM带翼刀的叶片
  2.6 锯齿后缘
  随着风力机尺寸的增大以及安装越来越靠近居住区,风机噪声问题越来越受到重视。Oerlemans和Mendez-Lopez场对Gamesa G58机组进行了运行噪声的测量。通过分析,风力机的主要噪声来自于叶片展向靠近叶尖区域但不在绝对的叶尖(实际上,叶尖噪声已通过优化的叶尖外形和反向扭角得到控制),同时,研究还表明叶片的噪声主要来自后缘噪声。
  根据飞机引擎锯齿降噪的经验,Howe1991年提出了锯齿状后缘降低叶片后缘噪声的传播理论。后缘锯齿会使流动在后缘处形成一列反向旋转的涡对,改变了尾涡结构,减弱了下游尾迹区的展向相关性,减小了噪声的远场辐射。随后大量的理论研究及实际应用表明该技术可以显着降低叶片的气动噪声。目前锯齿后缘设计已普遍应用于西门子、GE等公司的风机叶片中,多以附件形式安装,GE公司为他们的锯齿后缘技术申请了专利,图2-10为锯齿后缘在西门子叶片上的应用实例。
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  图2-10 西门子公司叶片的锯齿后缘‘Dino-Tail’
  2.7 叶尖小翼
  叶片旋转运动时,由于叶尖压力面和吸力面的压力差,导致压力面气流绕过叶尖端面流入吸力面,既破坏了叶尖二维流动情况,同时会产生叶尖涡。叶尖涡是造成叶尖噪声、叶片效率减小、疲劳载荷增加的主要原因之一。同样借鉴飞机机翼解决翼尖涡的经验,一种类似机翼翼梢的叶尖小翼被应用到风力机叶片中。加装小翼,可以重整通过叶尖流场的气流,有效地降低叶尖处诱导阻力,减少叶尖能量损失,从而提高原有风力机的功率输出。这种叶尖小翼设计与大弦长叶根一样几乎成为Enercon公司风机叶片的标志,然而也有越来越多的其他风机制造商开始采用这种技术。图2-11是一种典型的Enercon公司带叶尖小翼的叶片。
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  图2-11 Enercon公司E-126机组上的叶尖小翼
  2.8 凹凸前缘
  凹凸前缘概念的提出,得益于学者们对于座头鲸的仿生学研究,其胸鳍前缘的凸起能产生不稳定的横向涡,从而延迟失速并使鳍在大迎角下保持高升力,这对座头鲸的大迎角机动非常有利。Fish等人首先研究将这种凹凸前缘引入翼型设计中,接下来很多学者展开了一系列的理论分析与实验研究。Miklosovic等人通过实验研究了一种凹凸前缘翼型可以推迟失速迎角达40%,同时最大升力系数提高6%,阻力系数在小攻角时增加而在大攻角时减小。该技术暂时并未在实际叶片中得到应用,仅停留在技术研究阶段,考虑到工业应用的可操作性,可以采用气动附件的形式安装。图2-12展示了一种正弦型凹凸前缘翼型的CFD分析。

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