CN104500334A - 一种带有柔性尾翼的拍动翼风力机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带有柔性尾翼的拍动翼风力机，包括拍动翼，所述拍动翼的尾部安装有一块可变形的平板作为柔性尾翼；所述柔性尾翼与拍动翼任一截面的翼弦在同一平面上。通过增加柔性尾翼，提高拍动翼的升力，从而采集更多的能量，提升能量采集效率。

Description

一种带有柔性尾翼的拍动翼风力机

技术领域

本发明涉及可再生能源领域，更具体地说，本发明涉及一种带有柔性尾翼的拍动翼风力机。

背景技术

伴随着现代科技的日新月异，近年来全球人口出现了爆炸式的增长，随之而来的便是能源消耗的不断提升。由于诸如石油、天然气等不可再生能源正在逐步减少，人类对可再生能源系统的研究变得尤为迫切。其中，风力机是当前国内外研究的热点之一。

传统风力机是通过旋转叶片来采集风能的。由于叶片的尺寸较大，它的旋转运动会产生噪音污染，同时还可能对当地的野生动物造成危害。正是因为这些缺陷，使得风力机的发展和推广遇到了一定的制约。

另一方面，作为一种新型的可再生能源系统，拍动翼式风力机可以有效克服旋转叶片式风力机存在的不足。如图1所示，拍动翼1在自由来流中作垂直于来流方向的上下沉降运动；同时，它还绕转动轴3作俯仰运动，其中转动轴3由支架4支撑。通过拍动翼的拍动式运动，风能被转化成机械能。在连杆2的辅助下，机械能被收集到装置5中，最后通过机械能/电能转化装置获得所需的电能。但是，现有的拍动翼风力机的拍动翼通常是刚性的，没有利用柔性翼的潜在优势，其能量采集效率比较低，因而仍有待进一步改进和提高。

发明内容

针对现有的拍动翼风力机存在的不足，本发明的目的在于提供一种带有柔性尾翼的拍动翼风力机，通过增加柔性尾翼，提高拍动翼的升力，从而采集更多的能量，提升能量采集效率。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：一种带有柔性尾翼的拍动翼风力机，包括拍动翼，所述拍动翼的尾部安装有一块可变形的平板作为柔性尾翼；所述柔性尾翼与拍动翼任一截面的翼弦在同一平面上。

进一步的，所述柔性尾翼与拍动翼的尾部之间通过螺栓固定连接。

进一步的，所述柔性尾翼于所述翼弦的延长线方向的长度为弦长的1/3-1/2，厚度为弦长的1/50-1/25。

进一步的，所述柔性尾翼于拍动翼轴线方向的长度与拍动翼轴线方向的长度相等。

进一步的，所述柔性尾翼的刚度选取方法，具体步骤如下：定义一个与尾翼属性有关的无量纲参数：频率比ω^*，所述频率比ω^*的取值范围为0.5-4，数学表达式为：

${\mathrm{\ω}}^{*}=\frac{2\mathrm{\πf}}{{\mathrm{\ω}}_n}$

其中：f是拍动翼的运动频率，是尾翼的第一固有频率，ρ_t是尾翼的线性密度，L_t是尾翼于所述翼弦的延长线方向的长度，K_b是尾翼的弯曲系数即代表尾翼的刚度，在拍动翼的运动频率f、尾翼长度L_t、尾翼的线性密度ρ_t固定的情况下，通过调整频率比ω^*，得到所需柔性尾翼的刚度K_b。

进一步的，所述柔性尾翼的频率比ω^*为1。

进一步的，所述拍动翼的沉降运动和俯仰运动均采用正弦变化模式，且沉降运动和俯仰运动的相位差为90°。

本发明的有益效果是：在拍动翼尾部安装一个柔性的平板尾翼；调整柔性尾翼的刚度使得尾翼的频率比在0.5-4之间，最优的可控制频率比为1，以优化拍动翼表面的压力分布状况；固定拍动翼沉降运动和俯仰运动的相位差为90°，以提高拍动翼的瞬时升力,达到提升拍动翼升力的目的(采用本发明所述的带有柔性尾翼的拍动翼风力机效率最高可达到48％，而传统的拍动翼风力机效率最高为34％)，从而有效地提高了拍动翼风力机的效率，并有益于该类风力机的推广和应用。

附图说明

图1是传统拍动翼风力机的工作示意图；

图2是本发明带柔性尾翼的拍动翼的结构示意图；

图3是本发明带柔性尾翼的拍动翼风力机的运动示意图；

图4是本发明带柔性尾翼的拍动翼风力机与传统的无尾翼拍动翼风力机的捕获能量系数比较。

图中标记含义：1.拍动翼，2.连杆，3.转动轴，4.支架，5.机械能收集装置，6.机械能/电能转化装置，7.拍动翼在沉降的最高位置且转动角度为0°，8.拍动翼在沉降的中间位置且转动角度为正的最大，9.拍动翼在沉降的最低位置且转动角度为0°，10.拍动翼在沉降的中间位置且转动角度为负的最大，11.拍动翼在沉降的最高位置且转动角度为0°，12.在拍动翼尾部安装的柔性平板尾翼，no tail表示传统的无尾翼拍动翼风力机的捕获能量系数，flexible tail表示本发明带柔性尾翼的拍动翼风力机的捕获能量系数，13.柔性尾翼。

具体实施方式

本发明所述的带有柔性尾翼的拍动翼风力机，通过调整尾翼的刚度，以优化拍动翼表面的压力分布状况。

如图2所示，在拍动翼的尾部安装有一块可变形的平板作为柔性尾翼；柔性尾翼与拍动翼任一截面的翼弦在同一平面上。柔性尾翼与拍动翼的尾部之间通过螺栓固定连接。柔性尾翼于所述翼弦的延长线方向的长度一般为弦长的1/3-1/2，厚度为弦长的1/50-1/25，本实施例中，柔性尾翼于所述翼弦的延长线方向的长度为为弦长的1/3，厚度为弦长的1/40。柔性尾翼于拍动翼轴线方向的长度与拍动翼轴线方向的长度相等。

定义三个与尾翼属性有关的无量纲参数：质量比m^*、频率比ω^*、拉伸数它们的数学表达式分别为：

$m^{*}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_t}{\mathrm{\ρ}{L}_t},{\mathrm{\ω}}^{*}=\frac{2\mathrm{\πf}}{{\mathrm{\ω}}_n},K_s^{*}=\frac{K_s}{{\mathrm{\ρU}}^2{L}_t}$

其中质量比m^*固定为5，拉伸数取O(10³)以保证尾翼的拉伸量足够小。ρ_t是尾翼的线性密度，ρ是自由来流密度，L_t是尾翼长度，其值固定为1/3拍动翼弦长c，f是拍动翼的运动频率，是尾翼的第一固有频率，K_b是尾翼的弯曲系数，它代表尾翼的刚度，K_s是尾翼的拉伸系数，U是自由来流速度。在拍动翼的运动频率f、尾翼长度L_t、尾翼的线性密度ρ_t固定的情况下，通过调整柔性尾翼的频率比ω^*，可得到所需的柔性尾翼的刚度K_b。ω^*一般取0.5-4，均可起到提升拍动翼升力的目的，作为优选的，控制ω^*＝1，可最大限度的提升拍动翼升力。

同时，沉降运动和俯仰运动均采用正弦变化模式，其转动轴位于1/3弦长处。两者之间的相位差固定为90°，以提高拍动翼的瞬时升力。定义沉降位置和俯仰角分别为h(t)和θ(t)，则沉降运动和俯仰运动的数学表达式为：

h(t)＝h₀sin(2πft+φ)，θ(t)＝θ₀sin(2πft)

其中h₀和θ₀分别是拍动翼沉降运动和俯仰运动的幅值，f是拍动翼的运动频率，t是拍动翼的运动时间，φ是沉降运动和俯仰运动之间的相位差，其值固定为90°。

如图3所示，当t/T＝0和1时拍动翼7和11都位于h₀位置且转动角度为0°；当t/T＝0.25时拍动翼8位于0位置且转动角度为θ₀；当t/T＝0.5时拍动翼9位于-h₀且转动角度为0°；当t/T＝0.75时拍动翼10位于0位置且转动角度为-θ₀。

经过一系列数值实验发现，当ω^*＝1时相应的尾翼刚度是最优取值。取h₀＝0.5c、如图4所示，采用了带柔性尾翼的拍动翼风力机相较于传统的无尾翼拍动翼风力机可以捕获更多的能量。在最优参数条件下，本发明所述的带有柔性尾翼的拍动翼风力机效率最高可达到48％，而传统的拍动翼风力机效率最高为34％。

Claims (7)

1.一种带有柔性尾翼的拍动翼风力机，其特征在于：包括拍动翼，所述拍动翼的尾部安装有一块可变形的平板作为柔性尾翼；所述柔性尾翼与拍动翼任一截面的翼弦在同一平面上。

2.根据权利要求1所述的一种带有柔性尾翼的拍动翼风力机，其特征在于：所述柔性尾翼与拍动翼的尾部之间通过螺栓固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种带有柔性尾翼的拍动翼风力机，其特征在于：所述柔性尾翼于所述翼弦的延长线方向的长度为弦长的1/3-1/2，厚度为弦长的1/50-1/25。

4.根据权利要求1所述的一种带有柔性尾翼的拍动翼风力机，其特征在于：所述柔性尾翼于拍动翼轴线方向的长度与拍动翼轴线方向的长度相等。

5.根据权利要求1所述的一种带有柔性尾翼的拍动翼风力机，其特征在于：所述柔性尾翼的刚度选取方法，具体步骤如下：定义一个与尾翼属性有关的无量纲参数：频率比ω^*，所述频率比ω^*的取值范围为0.5-4，数学表达式为：

${\mathrm{\ω}}^{*}=\frac{2\mathrm{\πf}}{{\mathrm{\ω}}_n}$

其中：f是拍动翼的运动频率，是尾翼的第一固有频率，ρ_t是尾翼的线性密度，L_t是尾翼于所述翼弦的延长线方向的长度，K_b是尾翼的弯曲系数即代表尾翼的刚度，在拍动翼的运动频率f、尾翼长度L_t、尾翼的线性密度ρ_t固定的情况下，通过调整频率比ω^*，得到所需柔性尾翼的刚度K_b。

6.根据权利要求5所述的一种带有柔性尾翼的拍动翼风力机，其特征在于：所述柔性尾翼的频率比ω^*为1。

7.根据权利要求1所述的一种带有柔性尾翼的拍动翼风力机的拍动翼，其特征在于：所述拍动翼的沉降运动和俯仰运动均采用正弦变化模式，且沉降运动和俯仰运动的相位差为90°。