CN105863959A - 机械式自适应变形叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机械式自适应变形叶片，由柔性翼型外壳、月牙形柱体、横梁组成，所述月牙形柱体通过铰链方式安装到横梁上，且铰链可灵活活动，柔性翼型外壳由叶片上下顶端用有弹性的柔性蒙皮封住，柔性蒙皮随叶片的变形而变形；所述柔性翼型外壳呈有一定厚度的NACA翼型形状，柔性翼型外壳前缘和尾缘之间用横梁连接。本发明无需额外消耗电能，无需配套变形驱动设备及程序。在风力的作用下，叶片自身会改变形状，进而提高风能利用率。本发明采用机械设计外壳，对密封性要求低，制造工艺更简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力机的叶片，尤其是一种机械式的自适应性可变形叶片。
背景技术
风力机依风轮的结构及其在气流中的位置通常分为水平轴风力机和垂直轴风力机。与水平轴风力机相比，垂直轴风力机具有无需对风、噪音小、灵活方便、安全可靠、外形美观和维护简单等优点，是风能利用中一种非常好的形式，具有广阔的应用前景。
风力机叶片的设计直接影响风能的转换效率，直接影响其年发电量，是风能利用的重要一环。为了综合平衡不同相位处的气动性能，当今Darrieus 升力型风力机的叶片大多选择对称的NACA系列翼型。然而，空气动力的基本原理告诉我们：翼型的形状对气动性能影响很大，通常来讲，如果翼型压力面具有比吸力面较平缓的形状 (如NACA2412翼型)，则在0攻角至未形成流动分离的正攻角范围内，这类不对称翼型的升阻比比对称翼型 (如NACA0012 翼型) 更大。
为了提高Darrieus 升力型风力机的风能利用率，世界各国的研究者提出各种各样的方法，如在叶片上下两端加端板、采用电驱动使叶片主动变形、采用气动性能优化的叶片、采用升阻复合型垂直轴风力机、采用充气式自适应变形叶片等。其中，对于采用充气式自适应变形叶片的方法，叶片充气后容易饱胀，导致变形困难，且材料漏气后会导致风力机无法正常运行；对于采用电驱动使叶片主动变形的风力机，依靠外界能源提供动力，对风向的适应有一定延迟，且叶片变形消耗额外能量；对于其余一些方法，都是在叶片设计完成后，通过在叶片设计完成后在叶片上添加原件来改变风力机气动性能。
现有变形叶片中，大多采用电驱动方法使叶片产生变形，除了需要配套相应的驱动程序外，还需要消耗额外的能量来驱动变形。另外，由于风力机转动速度较快，由驱动程序驱动叶片表面变形还有一定的迟滞现象产生，不利于提高风力机的风能利用率。另外，现有的变形叶片中，为了使得叶片在转动过程中，随着叶片位置的变化，由于表面压力导致叶片变形，采用了充气式叶片的方法。这对制造工艺、材料性能和密封性提出了要求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，而提供一种新型机械式自适应变形叶片，该叶片具有自适应变形能力，即表面压力大时，相较对称翼型，叶片表面向内压 (如NACA2412 的压力面)，形状变得相对平缓；而叶片表面压力小时，相较对称翼型，叶片表面向外凸 (如NACA2412 的吸力面)，形状变得相对凸起。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种机械式自适应变形叶片，由柔性翼型外壳、月牙形柱体以及横梁组成，所述月牙形柱体通过铰链连接方式连接到横梁，且柔性翼型外壳由叶片上下顶端用有弹性的柔性蒙皮封住，柔性蒙皮随叶片的变形而变形；所述柔性翼型外壳呈有一定厚度的NACA翼型形状，柔性翼型外壳前缘和尾缘之间用横梁连接。
所述月牙形柱体、横梁与柔性翼型外壳之间有空隙，空隙处可填充变形材料。
所述横梁上通过铰链安装多个高度与叶片高度一致的月牙形柱体（3），月牙形柱体铰链可灵活活动。
所述月牙形柱体的形状可为月牙形或半橄榄形或半椭圆形。
本发明的有益效果是：
本发明提出的机械式新型自适应变形叶片，无需额外消耗电能，无需配套变形驱动设备及程序。在风力的作用下，叶片自身会通过机械方式改变形状，进而提高风能利用率。本发明提出的机械式新型自适应变形叶片采用机械设计外壳，对密封性要求低，制造工艺更简单。
本发明的叶片具有自适应变形能力，即表面压力大时，相较对称翼型，叶片表面向内压 (如NACA2412 的压力面)，形状变得相对平缓；而叶片表面压力小时，相较对称翼型，叶片表面向外凸 (如NACA2412 的吸力面)，形状变得相对凸起。按照该规律进行表面形状自适应变化的叶片必将具有更高的吸收风能的能力，有效提高这类垂直轴风力机的风能利用率。
附图说明
图1是本发明的自适应性可变形叶片安装在风力机上的示意图；
图2是本发明的自适应性可变形叶片结构示意图；
图3是图2中沿A-A的剖视图；
图4是图2中沿B-B的剖视图；
图5是本发明的自适应性可变形叶片受气流作用而自适应变形示意图；
其中：（a）为叶片受向向下风，（b）为叶片受向向上风；
图6是叶片内装有单个月牙形柱体示意图；
图7是叶片内布满月牙形柱体示意图；
图8是月牙形柱体叶片通过铰链连接方式安装到横梁上的示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1至图8所示，本发明的机械式自适应变形叶片，主体包含柔性翼型外壳2、月牙形柱体3、横梁4、柔性蒙皮1等。
如图2至图4所示，柔性翼型外壳2由叶片上下顶端用有弹性的柔性蒙皮1封住，柔性蒙皮1随叶片的变形而变形。柔性翼型外壳2可做成有一定厚度的NACA翼型形状。NACA翼型侧面为整体且没有接缝。在柔性翼型外壳2前缘和尾缘之间用横梁4连接，月牙形柱体通过铰链接方式安装到横梁上，月牙形柱体可灵活活动。月牙形柱体3、横梁4与柔性翼型外壳2之间有空隙，空隙处可填充其他易变形材料。
多个高度与叶片高度一致的月牙形柱体通过铰链连接方式连接到横梁4上，月牙形柱体通过铰链5可灵活活动。柔性翼型外壳2的形状为月牙形形或半橄榄形或半椭圆形。如图8所示，月牙形柱体通过铰链5安装在叶片的横梁4上。
如图5所示，当叶片处于流场之中，由于受到气流作用，导致叶片外表面受力不同，压力面受到高压向内凹陷变得平缓，此时压力面月牙形柱体朝向横梁转动，压力面受力最大处向吸力面移动，吸力面变得较为凸出，形成一种具有良好气动性能的自适应变形叶片。当风向不同时，叶片的压力面和吸力面将自动变化，能够较大幅度提高风能利用率和做功能力。
Claims (4)
1.一种机械式自适应变形叶片，由柔性翼型外壳（2）、月牙形柱体（3）、横梁（4）组成，其特征在于：所述柔性翼型外壳（2）由叶片上下顶端用有弹性的柔性蒙皮（1）封住，柔性蒙皮（1）随叶片的变形而变形；所述柔性翼型外壳（2）呈有一定厚度的NACA翼型形状，柔性翼型外壳（2）前缘和尾缘之间用横梁（4）连接，月牙形柱体（3）通过铰链连接方式安装到横梁（4）上。
2.根据权利要求1所述的机械式自适应变形叶片，其特征在于：所述月牙形柱体（3）、横梁（4）与柔性翼型外壳（2）之间有空隙，空隙处可填充变形材料。
3.根据权利要求1所述的机械式自适应变形叶片，其特征在于：所述横梁（4）上通过铰链（5）安装多个高度与叶片高度一致的月牙形柱体（3），月牙形柱体（3）通过铰链（5）可灵活活动。
4.根据权利要求1所述的机械式自适应变形叶片，其特征在于：所述月牙形柱体（3）的形状为月牙形或半橄榄形或半椭圆形。
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| CN109751182B (zh) * | 2019-03-19 | 2023-11-07 | 上海理工大学 | 一种可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片 |
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