改變葉片後緣側翼型分布的方法及葉片、風機和葉片製法與流程

2023-06-29 19:39:41 2

本發明涉及一種大型風輪葉片後緣可變形的裝置，屬於新能源技術應用領域，尤其涉及一種可改變葉片後緣側的翼型分布的方法，及後緣側設有可變形裝置的風輪葉片，使用該種風輪葉片的風機和該種風輪葉片的製作方法。

背景技術：

隨著葉片長度的增加，風輪葉尖速度也逐漸增加。葉片在正常運行的時候，最大弦長附近部分截面迎角較大。隨著迎角的增加，前駐點向後緣移動，氣流繞前緣近區的吸力峰在增大，造成峰值點後的氣流頂著逆壓梯度向後流動越困難，氣流的減速越嚴重。這不僅促使邊界層增厚，變成湍流，而且迎角達到一定程度以後，逆壓梯度達到一定數值，氣流就無力頂著逆壓減速了，而發生分離。氣流分離後會造成吸力面靠近後緣出現不穩定脫落渦，這樣一方面會減小葉片輸出功率，另一方面會使最大弦長附近載荷不穩定，容易產生振動。由於吸力面靠近後緣部位的翼型分布會影響氣流流動，改變該區域的翼型分布也會引起葉片在大迎角下的分離流動的變化，對後緣部位厚度進行有效的增加會對翼型的氣動特性產生積極影響。

一般大型風電機組葉片在最大弦長附近使用厚度為40%的翼型，而初始設計的翼型後緣厚度較薄，相對後緣較厚的翼型，這種較薄的翼型容易出現失速現象，其失速性能也較差。當翼型靠近後緣位置厚度增加後，不僅能增加其最大升力係數，提高升阻比，也相應地降低了氣流通過截面尾緣位置的逆壓梯度，從而推遲或者避免氣流的分離。

變槳型風輪葉片運行中，由於葉根位置相對葉尖位置在旋轉平面內轉速較小，當風速相同，最大弦長附近截面迎角比葉尖位置迎角大。隨著風速的增加，在風速未達到額定風速時，最大弦長附近截面迎角是逐漸增加的，在額定風速時迎角達到一個較高的數值，葉片此時產生最大輸出功率。隨著風速的增加，葉片為了保持額定功率，進行變槳動作。當風速大於額定風速以後，隨著風速的增加，最大弦長附近截面攻角也是逐漸增加的，直至風速達到切出風速。在風速達到額定風速前和風速達到切出風速前一部分風速段，最大弦長附近均出現不同程度的迎角過大現象，氣流發生分離。

技術實現要素：

為了克服現有技術的上述缺陷，本發明目的之一是提供一種可改變葉片後緣側的翼型分布的方法，可通過改善葉片後緣側的翼型分布，來改善尾流。

本發明又一目的是提供一種後緣側設有可變形裝置的風輪葉片，其可改變風輪葉片後緣的翼型分布，並改善尾流，尤其是當葉片最大弦長附近出現較大迎角時，能改善葉片最大弦長附近的受載情況，並能增加葉片在該迎角運行時的發電量。

本發明又一目的是提供一種後緣側設有可變形裝置的風輪葉片的製作方法，其製作簡單方便，且可根據需要調整可變形裝置的剛度，以根據不同的需要獲得相應的變形程度。

本發明又一目的是提供一種具有後緣側設有可變形裝置的風輪葉片的風機，其在運行過程中，不僅不會影響在正常層流時的氣動性能，而且當葉片吸力面產生分離流過程中可以有效減緩載荷，增加功率。

為了達到上述目的，本發明提供的主要技術方案包括：

一種改變葉片後緣側的翼型分布的方法，其包括：

在葉片的後緣側的預定位置設置可因風壓而產生變形的板，通過該板的變形來改變葉片後緣側的翼型分布。

其中，為了取得更佳的改善效率，葉片的預定位置指葉片的吸力面的最大弦長處。由於最大弦長位置弦長最大，攻角更易出現失速，而靠近葉尖位置一般不會出現失速情況，並且較葉根段翼型分布明確，理論上應該在任何出現失速段都添加纖維板，但最大弦長位置添加纖維板對於改善該失速情況作用是最大的。

其中，該板的變形程度通過板的剛度大小來調整。

其中，該板具有連接部和變形部，靠近迎風面一側的連接部連接於葉片，迎風面一側的變形部提供該板的變形，該連接部沿葉片的弦長方向的寬度小於該變形部沿葉片的弦長方向的寬度。

一種後緣側設有可變形裝置的風輪葉片，其包括：

葉片本體，具有吸力面；以及

可變形裝置，整體呈板狀，具有第一表面和第二表面，第一表面靠近迎風面的一側（連接區域）連接葉片本體的吸力面，該可變形裝置遠離迎風面的一側（變形區域）能通過變形來改變葉片後緣側的翼型分布。

其中，所述可變形裝置設於葉片本體的後緣側的吸力面的最大弦長處的預定區域，由於在葉片弦線位置30%~60%的後緣位置，所述可變形裝置出現變形後其氣動性能是最優的，該預定區域優選為指葉片本體的後緣側的弦長的30%~60%。

其中，所述可變形裝置設有沿葉片的弦長方向延伸的開口。該開口可以將可變形裝置完全切割為兩個獨立的部分，或者是不完全切割，即在兩部分之間設有一個或若干個斷續的連接部。

其中，為了獲得更好的抗疲勞性能，且易於成型，所述可變形裝置為纖維板，由於玻璃纖維不僅便宜，而且能夠滿足極限和疲勞載荷要求，而碳纖維強度較高，能夠滿足對於結構和氣動特性的較高要求，優選為碳纖維或玻璃纖維。

其中，由於葉片運行的時候，纖維板的各個位置受力不同，為了避免纖維板局部位置的變形影響其他位置，所述纖維板可以為兩塊以上，當為兩塊時，分設於最大弦長位置的兩側，例如可以是在最大弦長位置進行剪切，以消除對中間位置變形的影響。

其中，第二表面靠近迎風面的一側設有斜角，斜角的角度可以是3°~10°，優選為5°。

其中，所述可變形裝置的第一表面靠近迎風面的一側（連接區域）粘接連接葉片本體的吸力面的預定寬度區域，優選為吸力面的該預定寬度區域粘接之前是經過打磨的，優選為多向打磨，優選為預定寬度區域的寬度為100cm。

其中，葉片本體的最大弦長處的所述預定區域指：由葉根至葉尖的軸向為自最大弦長位置靠近葉根側1米到最大弦長位置靠近葉尖側1米，由前緣至後緣的弦向為自對應的切面弦線上自前緣的(60%*弦長-0.1)米位置到後緣線。

一種風機，其具有上述任一種後緣側設有可變形裝置的風輪葉片。

一種後緣側設有可變形裝置的風輪葉片的製作方法，其其包括如下步驟：

S10、在風輪葉片的吸力面一側的模具上，對應風輪葉片的預定區域標定位置，並在標定的位置鋪放脫模布，該脫模布延伸至標定的位置外一定距離；

S20、利用經步驟S10鋪放脫模布的模具製作纖維板作為可變形裝置；

S30、使風輪葉片基本呈水平的置於型修支架；

S40、標記風輪葉片的吸力面的預定寬度區域，並進行打磨；

S50、在步驟S40打磨之後的預定寬度區域塗膠；

S60、將步驟S20製作的纖維板的連接區域粘接於步驟S50塗膠後的預定寬度區域，使作為可變形裝置的纖維板設置於風輪葉片的預定位置。

其中，步驟S20的具體內容為，在浸膠平臺上對纖維布進行浸膠，浸膠後的纖維布進行層鋪，層鋪前先在標定位置的區域輥塗一層風輪葉片的殼體用的樹脂，層鋪中用脫泡輥進行輥壓，待固化後，在最大弦長位置將纖維板裁剪為兩塊，用砂紙打磨平整且無飛邊、毛刺，優選為還將纖維板靠近前緣一邊外側用砂紙打磨出5°斜角，保證氣流平緩流動。

本發明的有益效果是：

本發明通過在葉片的後緣側的預定位置（例如可以在最大弦長附近，吸力面靠近後緣處）加裝了可因風壓而產生變形的板（例如可以為兩塊纖維板），該纖維板可以在葉片弦向靠近前緣處用膠進行粘接。當該預定區域（例如最大弦長附近）迎角較小時，纖維板受到正壓作用，不發生變形，該區域翼面正常流動，不會影響正常層流時的氣動性能。隨著迎角的增大，該區域後緣出現不穩定的脫落渦後產生負壓，纖維板在負壓的作用下發生變形，吸力面靠近後緣位置產生新的形狀，而新的翼型增加了後緣厚度，減小了逆壓梯度，減弱了脫落渦的強度，從而使纖維板的受力減小，最終恢復為原來形狀。當產生新的脫落渦，並且渦強度較大時，纖維板會再次變形，改善尾流。進而改善了葉片最大弦長附近受載情況，也增加了葉片在該迎角運行時的發電量。即在葉片吸力面產生分離流過程中可以有效減緩載荷，增加功率。纖維板的變形程度可以通過對纖維板剛度的控制來實現。

附圖說明

圖1是本發明一個實施例的風輪葉片上安裝纖維板的立體示意圖（纖維板數量為兩塊，其中，A為整體視圖，B為局部視圖）；

圖2是本發明一個實施例的風輪葉片上安裝有纖維板在大迎角下的立體示意圖（纖維板數量為兩塊，其中，A為整體視圖，B為局部視圖）；

圖3是本發明一個實施例的風輪葉片上安裝有纖維板在大迎角下的切面示意圖（纖維板數量為兩塊）；

圖4是本發明一個實施例的風輪葉片上安裝纖維板的俯視圖（纖維板數量為兩塊，預定區域寬度為弦線60%）；

圖5是本發明一個實施例的風輪葉片上安裝有纖維板的示意圖（纖維板數量為兩塊，預定區域寬度為弦線40%）；

圖6是本發明一個實施例的風輪葉片上安裝有纖維板的示意圖（纖維板數量為三塊）；

圖7是本發明一個實施例的風輪葉片的製作方法流程圖。

【附圖標記說明】

圖中：1.葉片本體，10.吸力面，20.最大弦長位置，30.前緣，40.後緣，X.軸向，Y.弦向，2.連接部，3.第一纖維板，4.第二纖維板。

具體實施方式

為了更好的解釋本發明，以便於理解，下面結合附圖通過具體實施方式對本發明作詳細描述。

參見圖1至圖5，本發明一個實施例的後緣側設有可變形裝置的風輪葉片，其具有葉片本體1、第一纖維板3和第二纖維板4。

葉片本體1具有吸力面10、最大弦長位置20、前緣30和後緣40，並將葉根葉尖的延伸方向定義為軸向X，前緣30向後緣40延伸的方向定義為弦向Y，前緣30與後緣40沿弦向Y的距離定義為弦線長度。

葉片本體1的吸力面10的預定位置供設置第一纖維板3和第二纖維板4。其中，該預定位置設於葉片本體1的最大弦長位置20附近，優選為以最大弦長位置20為軸分割為左、右兩部分（例如，分別向葉根和葉尖方向延長的左右對稱的設置，以葉片長度為43米，葉片最大弦長為7米為例，可以向左右各延長1米）；該預定位置設於靠近葉片本體1的後緣30，優選為由後緣30開始向前緣40方向延伸，該預定位置在弦向的延伸方向上可以分割為前、後兩部分，靠近後緣30的後部分可以為弦線長度的40%左右，遠離後緣30的前部分可以具有預定寬度（構成預定寬度區域供第一、第二纖維板的連接部2連接用），例如由後緣30開始向前緣40方向延伸弦線長度的40%後，再加100mm的預定寬度。

第一纖維板3和第二纖維板4分別具有連接部2和變形部，連接部2供與葉片本體1連接，變形部供提供變形，通過變形來改變葉片後緣側的翼型分布。優選為，第一纖維板3和第二纖維板4的連接部2分別具有第一表面和第二表面，該第一纖維板3和第二纖維板4通過連接部2的第一表面連接於葉片本體1的具有預定寬度的前部分（例如可以粘接連接）。其中，粘接連接時，該前部分優選為經過打磨（例如多向打磨）和清潔，之後塗抹預定寬度的膠，再用膠粘接。

為了保證粘接後葉片本體1與第一、第二纖維板3、4粘接位置的氣動性能，優選為，第一、第二纖維板3、4的連接部2的第二表面靠近葉片本體1前緣40的一側設有斜角，該斜角可以是打磨成的（例如用砂紙打磨），該斜角的角度優選為5°，以保證氣流的平緩流動。

本發明的風輪葉片在運行過程中，當最大弦長位置20附近迎角較小時，第一、第二纖維板3、4受到正壓作用，不發生變形，該區域翼面正常流動，不會影響正常層流時的氣動性能。隨著迎角的增大，該區域後緣30出現不穩定的脫落渦後產生負壓，第一、第二纖維板3、4在負壓的作用下發生變形，吸力面10靠近後緣30位置產生新的形狀，而新的翼型增加了後緣30厚度，減小了逆壓梯度，減弱了脫落渦的強度，從而使第一、第二纖維板3、4的受力減小，最終恢復為原來形狀。當產生新的脫落渦，並且渦強度較大時，第一、第二纖維板3、4會再次變形，改善尾流。進而改善了風輪葉片最大弦長位置20附近的受載情況，也增加了風輪葉片在該較大迎角運行時的發電量。

參見圖7，本發明的風輪葉片可以按如下流程製作：

S10、在葉片本體1的吸力面10一側的模具上，標定該預定位置：軸向X為（最大弦長-1）米到（最大弦長+1）米，弦向Y為相應切面弦線上從前緣開始(60%*弦長-0.1)米到後緣線，並在該區域鋪放一層脫模布，脫模布應在該區域四個方向各延伸0.1米；

S20、在浸膠平臺上對纖維布進行浸膠，要求浸潤後的纖維布應無褶皺、無幹點，纖維平直，纖維布浸潤良好，含膠量適中，層鋪前先在該區域輥塗一層葉片本體1的殼體用樹脂，層鋪中用脫泡輥進行輥壓，要求輥壓後鋪層含膠量均勻，顏色一致，無幹點、無氣泡、無分層，與葉片殼體貼實，待固化後，在最大弦長位置20將纖維板裁剪為兩塊，第一纖維板3、第二纖維板4，用砂紙打磨平整且無飛邊、毛刺等，將第一、第二纖維板3、4靠近前緣一邊外側用砂紙打磨出5°斜角，保證氣流平緩流動；

S30、葉片進入型修車間，用吊車將葉片放至葉片型修支架上，檢查葉片擺放姿態，確認葉片葉根處前後緣高度基本一致，葉片擺放基本水平；

S40、用記號筆在弦線方向(60%*弦長-0.1)米到（60%*弦長）米位置（具體安裝位置可以是從前緣到後緣進行量取，在40%~70%的位置，從後緣側開始量取就是30%~60%的位置，最優位置是本實施例的從前緣到後緣量取60%弦長的位置），軸向方向（最大弦長-1）米到（最大弦長+1）米）劃線，使用氣動打磨機（或砂布機）在該區域進行打磨，且打磨過程中需按照不同方向打磨，不得僅打磨一個方向，以提高粘接強度，打磨過程中不得傷及葉片本體1的殼體鋪層，打磨完成後，用吸塵器將打磨區域及該區域周邊殘留灰塵清理乾淨，用清洗劑仔細清洗粘接區域，要求粘接區域用手觸摸無水、無油汙、無灰塵，以避免粘接不牢；

S50、在打磨區域塗抹1~2毫米厚度的膠2，膠2應平整、均勻；

S60、將第一纖維板3、第二纖維板4粘貼在相應位置。

該種製作方法簡單易行，且可以根據需要通過調整鋪層層數和纖維布的製造方式來調整纖維板的剛度。

參見圖6，本發明一個實施例的後緣側設有可變形裝置的風輪葉片，其與前述實施例的區別在於，使用三塊纖維板，其中兩側的兩塊纖維板對稱設置於最大弦長位置20的兩側，另一塊居中的纖維板的中心軸與最大弦長位置20重合。

綜合上述可知，本發明的風輪葉片的吸力面靠近後緣位置粘貼纖維板，可以為兩塊或多塊纖維板，材料可使用碳纖維或者玻璃纖維，例如由第一纖維板、第二纖維板靠近前緣的一邊用膠粘貼在葉片本體的吸力面上的最大弦長位置附近，使得兩塊纖維板通過膠與葉片粘接構成一個整體，其整體即構成一種可改變後緣翼型分布，改善尾流的裝置。當最大弦長位置出現大迎角時，纖維板在負壓作用下產生變形，有效減緩載荷，增加功率，而在正常運行過程中又不會影響在正常層流時的氣動性能。