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风机引入“叶尖小翼”的作用

2016-07-19 09:16来源:风电叶片关键词:风机风机叶片风电收藏点赞

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风机引入飞机先进技术之“叶尖小翼”

大家都知道风机和飞机有很多相似之处,尤其是都基于空气动力学理论,早期我们在研发风电机组时借鉴了一些飞机的理论,直至今日,仍有一些先进的航空理论被引入到风电中。

坐飞机时大家有没有发现有些飞机机翼翼梢有部分向上翘起?

这东西叫“小翼”。今天笔者与大家分享风电叶片引入的“叶尖小翼”,关于风电叶尖小翼的文章不多,下面主要从航空方面带大家深入了解什么是“小翼”。

风电叶片叶尖小翼的作用

兆瓦级风力发电机叶片,在其叶尖位置往往产生较大的诱导阻力使叶片的气动性能下降。由于叶尖弦长较小,可调整空间非常有限,仅通过叶尖施加反转扭角效果也不理想。借鉴飞机机翼解决翼尖涡的经验,一种类似翼梢的叶尖小翼被应用到风电机组叶片中。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,从而提高原有风电机组的功率输出,也有助于降低气动噪声。

邢强博士关于飞机小翼的文章《飞机上的翼梢小翼》

很多客机的翼尖都会竖起一个被称作“翼梢小翼”的物体,像极了一个人水平撑起双臂后立起的手掌,给飞机增加了不少美感。法国飞机设计大师达索曾说过“漂亮的飞机其性能一定差不了”。那么,为飞机外型增色的翼梢小翼是从什么时候开始出现在飞机上的?它们又能够对飞机的性能带来怎样的影响呢?

个头儿虽小,辈分却很高

虽然早期的客机普遍没有翼梢小翼,而且小翼通常会被当作闪亮的新科技成为飞机制造商的宣传重点,但实际上翼梢小翼的历史可回溯到莱特兄弟的飞机上天之前,可算是飞机的长辈。早在1897年,英国空气动力学家兰彻斯特(没错,就是那个提出军事运筹学中的兰彻斯特方程的那个人)在详细解释了机翼升力产生的原因之后不久就提出了在翼尖处加装端板以改善机翼空气动力学特性的想法。

这就是兰彻斯特。话说拍个照拍成这个样子,这是要被雕刻到硬币上的节奏啊。不过,按贡献来说,他早已够资格刻到硬币上了。

1891年,兰彻斯特写了一篇文章,指出重于空气的飞行器是可行的。1894年,他成功地解释了机翼产生升力的原理,比德国的库塔和俄国的茹科夫斯基要早一些,不过库塔和茹科夫斯基的公式更好用,以至于空气动力学里面用“库塔-茹科夫斯基”的名称来命名了相关的公式。1915年,兰彻斯特针对有限翼展机翼升力计算提出了附着涡和自由涡的概念。奠定了升力线理论的基础,还指出了湍流这个现象将会是个很难处理的问题。

兰彻斯特在1927年推出的油电混合动力汽车概念车,现存放于伯明翰自然科学博物馆。

可惜,囿于航空材料和加工工艺的限制,兰彻斯特提出的翼梢小翼的概念还不能很快得到应用。在那个年代,翼梢小翼对飞机升阻特性的改善无法胜过其给飞机带来的额外重量。该设计只能停在图纸上。

1944年11月6日首飞的纳粹德国He162战斗机的翼尖使用了类似现代翼梢小翼的设计。这算是一次较早的尝试。

直到兰彻斯特死后30年的1976年,美国NASA兰利研究中心的惠特科姆博士才重新提起翼梢小翼。同年,波音公司立即在波音707运输机改装而成的KC-135空中加油机上进行了试验。小翼的重生一方面是由于上世纪七十年代爆发的能源危机使人们意识到了节油的必要性,另一方面是惠特科姆的个人影响,这个曾提出过跨音速面积律和设计出超临界翼型的人给出的建议无论如何也是值得一试的。

这就是惠特科姆博士。他对航空航天领域的贡献有三个:一是提出了跨声速面积律(也就是说,腰不细的飞机,在超声速的过程中会很艰难);二是发明了超临界翼型;三是发明(或者叫重新提出)了翼梢小翼。

惠特科姆博士在1976年向NASA提交的翼梢小翼设计初稿。

数据表明,KC-135在加装小翼后,最大飞行高度增加了3.4%,升力系数增大了4.88%,巡航状态升阻比提高了7.8%,航程增加了7.5%。这次试验肯定了翼梢小翼的价值,此后翼梢小翼开始大量出现在大型客机和运输机上。图为在1979年到1980年期间,进行了翼梢小翼测试的那架KC-135

近距离看当年的那架KC-135,能够在翼梢小翼外侧看到用于观测气流情况的小条条。

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