CN106050556A - 垂直轴风力机自适应柔性叶片 - Google Patents

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李春
杨阳
丁勤卫
缪维跑
叶柯华
王渊博
袁全勇
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Abstract

本发明涉及一种垂直轴风力机自适应柔性叶片，叶片表面布置柔性气动弹片，用于自适应地调节叶片周围的流态，抑制与减缓叶片在失速状态时流动分离与涡脱落，同时兼顾提高风力机自启动能力。柔性气动弹片沿叶片高度排列，每排柔性气动弹片沿叶片表面均布。所述柔性气动弹片的根部与叶片表面黏合在一起。本发明通过在叶片表面布置一系列类似鸟类羽毛的柔性气动弹片，叶片在不同攻角时，气动弹片可根据流态自适应地调整形态，宏观上呈现出柔性的叶片，该叶片不仅能在叶片处于失速状态时减缓大分离涡与涡脱落，当流体来自于叶片后方时亦可提供较大的阻力以帮助风力机自启动。

Description

垂直轴风力机自适应柔性叶片
技术领域
本发明涉及一种垂直轴风力机的叶片，尤其是一种自适应柔性叶片。
背景技术
风力机主要分为水平轴和垂直轴两类，垂直轴风力机又分为阻力型和升力型。升力型垂直轴风力机不需要复杂的调向装置即可获取任意方向的风能，且结构简单，维修方便，在风力机发电领域有较为广泛的应用。
现有垂直轴风力机在运行中仍面临一些问题：一方面，叶片在自启动或低速转动过程中攻角周期性大幅变化，常处于较大失速状态，叶片为风力机提供转矩较小，不仅影响风力机自启动，也影响风力机对风能的获取；另一方面，处于失速状态的叶片引发较强的涡脱落尾迹，影响下风区叶片/风力机获取风能，同时周期性的涡脱落也造成了较强的交变载荷，影响风力机性能。因此，抑制或减缓叶片由于动态失速与涡脱落对垂直轴风力机造成的不良影响是提高风力机气动效率、降低载荷波动的重要途径。
鉴于此，申请号为201110106235.5，名称为“叶片倾角可调节的垂直轴风力机转子”的发明专利将叶片通过杆件与塔架轴上的偏心轮连接，使得叶片在不同方位处具有合适的安装角，失速减小，一定程度上为风力机自启动提供了较大的转矩。另一申请号为201010503422.2的专利通过较为复杂的控制系统实现了叶片安装角随风向和风速变化的垂直轴风力机，能够根据风速变化改变叶片安装角，使风力机功率输出保持在额定功率值附近。调整叶片在不同方位的安装角对于提高风力机自启动性能与防止风力机过载具有一定的效果，但一定程度上影响了风力机在额定工况与低转速时对风能的获取，同时对常规工况时的叶片动态失速与涡脱落现象抑制效果不佳。复杂的结构或控制系统亦会降低垂直轴风力机的可靠性。
发明内容
本发明提出一种垂直轴风力机自适应柔性叶片，通过在叶片表面布置一系列类似鸟类羽毛的柔性气动弹片，叶片在不同攻角时，气动弹片可根据流态自适应地调整形态，宏观上呈现出柔性的叶片，该叶片不仅能在叶片处于失速状态时减缓大分离涡与涡脱落，当流体来自于叶片后方时亦可提供较大的阻力以帮助风力机自启动。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种垂直轴风力机自适应柔性叶片，叶片表面布置柔性气动弹片，用于自适应地调节叶片周围的流态，抑制与减缓叶片在失速状态时流动分离与涡脱落，同时兼顾提高风力机自启动能力。
所述柔性气动弹片沿叶片高度排列，每排柔性气动弹片沿叶片表面均布。所述柔性气动弹片的根部与叶片表面黏合在一起。
本发明的有益效果是：
1.本发明通过在叶片表面布置柔性气动弹片来自适应地调节叶片周围的流态，能够抑制与减缓叶片在失速状态时流动分离与涡脱落。同时兼顾提高风力机自启动能力的作用。
2.考虑垂直风力机气动特点，在叶片两侧均布置气动弹片，布置方式采用根部一小段黏合叶片的布置方式，弹片采用有柔韧性且有弹性的材质。
3．本发明不对叶片主体动作，而是仅通过气动弹片自适应地起伏来改变叶片周围的流态。叶片所处攻角较小（流动不分离）时，气动弹片将整体贴附于叶片表面，不影响流动状态；攻角较大时，弹片被卷起以减缓分离涡。风力机自启动时，相关位置处的弹片可被来流卷起为启动提供较大的转矩。
附图说明
图1为本发明的垂直轴风力机自适应柔性叶片结构立体示意图；
图2为本发明的垂直轴风力机自适应柔性叶片的截面图；
图3为垂直轴风力机自适应柔性叶片自启动效果图；
图4为气动弹片与叶片连接示意图；
图5为叶片失速流场流线图；
其中（a）常规叶片失速流场流线图 ，（b）柔性叶片失速流场流线图；
图6为叶片表面流场结构图；
其中（a）常规叶片，（b）柔性叶片。
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1，2，3所示，一种垂直轴风力机的自适应柔性叶片3，通过在叶片1表面布置一系列类似鸟类羽毛的柔性气动弹片2，使叶片1在不同攻角时，柔性气动弹片2可根据流态自适应地调整形态，宏观上呈现出柔性的叶片。该自适应柔性叶片3不仅能在叶片处于失速状态时减缓大分离涡与涡脱落，当流体来自于叶片后方时亦可提供较大的阻力以帮助风力机自启动。该自适应柔性叶片不对叶片主体动作，而是仅通过气动弹片自适应地起伏来改变叶片周围的流态。
柔性气动弹片沿叶片高度排列，每排柔性气动弹片沿叶片表面均布。柔性气动弹片2的根部与叶片1表面黏合在一起，如图4所示。
常规叶片在处于大攻角时，叶片将发生失速，上表面出现流动分离，并伴随一系列涡脱落，如图5a所示，此时不仅叶片所受升力降低，载荷波动也较为强烈。从图5b可以看出，布置于叶片下表面上的气动弹片，贴附于叶片表面，不影响流体流动，上表面的气动弹片将常规叶片上表面较大的分离涡拆分成较小的附着涡，使叶片整体上更适应来流的状态，同时提高叶片升力，降低涡脱落，降低载荷波动。
垂直轴风力机在自启动时，叶片静止或转速较低，常规叶片提供的转矩较小。若采用柔性叶片，如图3，相对于图3中的自适应柔性叶片3，此时来流位于叶片尾部，附着于叶片上的气动弹片将会被来流卷起，整体上呈现较大的迎风面积，进而为叶片提供较大的阻力，阻力方向与叶片所需运动方向相同，因此有助于风力机的自启动，且此阻力能够完全用于风力机的自启动。
垂直轴风力机旋转过程中，叶片攻角周期性大幅度变化。对于常规叶片，由图6a可以看出，攻角较小时，叶片处于附着流动，随着攻角的增大，流体从叶片尾部开始出现分离，并伴有脱落涡出现。随着攻角进一步增大，流动分离加深，从叶片前缘即开始分离，涡脱落加强，此时来流为叶片提供的升力降低，并且存在较大的波动。对于布置气动弹片的柔性叶片，由图6b可以看出，在小攻角流体附着流动时，弹片贴附于叶片表面，整体上与常规叶片无差别。流动出现分离时，尾部的分离涡将叶片表面的弹片卷起，弹片将较大的分离涡拆分成较小的附着于叶片表面的涡，整体上提供了一个更适宜流体流动的气动外形。随着攻角的增大，气动弹片的作用更为显著，不仅使得叶片升力有所提高，同时减小了涡脱落，降低了升力波动，也有利于下游叶片/风力机获取风能。
本发明中关于气动弹片在叶片表面的布置方式，上述提到的是采用根部一小段黏合叶片的布置方式。亦可采用其他方式，如嵌入等将根部一小段与叶片贴合。另亦可只将弹片根部端部铰接于叶片表面，但此方法将影响弹片提高风力机自启动能力的效果。关于弹片在叶片表面的排布方式，本文中采用沿叶片高度排列，每排均匀分布的方式。亦可根据其效果采用其他排布方式。

Claims (3)

1.一种垂直轴风力机自适应柔性叶片，其特征在于：叶片(1)表面布置柔性气动弹片(2)，用于自适应地调节叶片(1)周围的流态，抑制与减缓叶片(1)在失速状态时流动分离与涡脱落，同时兼顾提高风力机自启动能力。
2.根据权利要求1所述的垂直轴风力机自适应柔性叶片，其特征在于：所述柔性气动弹片(2)沿叶片(1)高度排列，每排柔性气动弹片(2)沿叶片(1)表面均布。
3.根据权利要求1或2所述的垂直轴风力机自适应柔性叶片，其特征在于：所述柔性气动弹片(2)的根部与叶片(1)表面黏合在一起。
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