CN107201987A - 一种可提高升力型风力机启动性能的自适应变形叶片 - Google Patents

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Abstract

一种可提高升力型风力机启动性能的自适应变形叶片，分为叶片前缘段、叶片自适应变形段及叶片后缘段；叶片前缘段和叶片自适应变形段均为空心结构，叶片前缘段的叶面由刚性材料制成，叶片自适应变形段的叶面由柔性材料制成；叶片后缘段为空心结构或实心结构，叶片后缘段的叶面或叶身由刚性材料制成；叶片前缘段与叶片后缘段之间通过刚性主梁相连，叶片自适应变形段连接在叶片前缘段和叶片后缘段之间，且刚性主梁位于叶片自适应变形段的叶面内侧；叶片前缘段迎风侧的叶面上开设有一级透气孔或透气槽；刚性主梁上开设有二级透气孔或透气槽；在无风状态下，叶片自适应变形段的叶面呈平面状态；在有风状态下，叶片自适应变形段的叶身截面形状为翼型。

Description

一种可提高升力型风力机启动性能的自适应变形叶片
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，特别是涉及一种可提高升力型风力机启动性能的自适应变形叶片。
背景技术
能源紧缺和环境污染是威胁人类生存与发展的两大问题，积极开发和利用新型能源是缓解以上问题的有效途径。而风能便是一种可再生的清洁新能源，并且风力发电技术也已成为发展和应用最为成熟的发电技术之一。
目前，能够利用风能的最主要设备便是风力机，但风力机叶片气动特性的优劣会直接影响到风力机的输出功率。而升力型风力机又主要分为水平轴升力型风力机和垂直轴升力型风力机，由于都是依靠风力机叶片在做功，因此风力机叶片转速越快，风力机的风能利用系数就越高。
然后，升力型风力机一直都存在自启动困难的问题，特别是在低风速环境下，自启动将更加困难。对于大型的水平轴升力型风力机来说，通常会采用电动机驱动方式或变桨距技术来帮助风力机进行启动，但对于小型的水平轴升力型风力机和垂直轴升力型风力机来说，出于成本因素的制约，风力机叶片会采用定桨距安装，因此小型风力机将完全依赖叶片自身所产生的气动扭矩进行启动，但小型风力机的工作雷诺系数较低，导致叶片气动性能较差，当处于低风速环境下时，叶片自身所产生的气动扭矩通常较小，多数情况下都不足以使风力机启动。
因此，有必要寻找一种全新的技术途径来解决升力型风力机自启动困难的问题，该技术途径应区别于传统的电动机驱动方式或变桨距技术，并且能够在各种类型的升力型风力机上应用，以提高升力型风力机的启动性能，并保证风力机在启动后的运行阶段拥有较高的输出功率。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可提高升力型风力机启动性能的自适应变形叶片，其区别于传统的电动机驱动方式或变桨距技术，并且能够在各种类型的升力型风力机上应用，能够提高升力型风力机的启动性能，并保证升力型风力机在启动后的运行阶段拥有较高的输出功率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种可提高升力型风力机启动性能的自适应变形叶片，分为叶片前缘段、叶片自适应变形段及叶片后缘段；所述叶片前缘段和叶片自适应变形段均为空心结构，叶片前缘段的叶面由刚性材料制成，叶片自适应变形段的叶面由柔性材料制成；所述叶片后缘段为空心结构或实心结构，叶片后缘段的叶面或叶身由刚性材料制成；所述叶片前缘段与叶片后缘段之间通过刚性主梁相连，所述叶片自适应变形段连接在叶片前缘段和叶片后缘段之间，且刚性主梁位于叶片自适应变形段的叶面内侧；在所述叶片前缘段迎风侧的叶面上开设有一级透气孔或透气槽；在所述刚性主梁上开设有二级透气孔或透气槽。
在无风状态下，所述叶片自适应变形段的叶面呈平面状态；在有风状态下，所述叶片自适应变形段的叶身截面形状为翼型。
所述自适应变形叶片的弦长记为L0，且在自适应变形叶片的弦长方向上，所述叶片前缘段的长度记为L1，所述叶片自适应变形段的长度记为L2，所述叶片后缘段的长度记为L3；其中，L1≤40％·L0，L2＝(10％～90％)·L0，L3≤10％·L0。
本发明的有益效果：
本发明的自适应变形叶片，在提高升力型风力机启动性能上区别于传统的电动机驱动方式或变桨距技术，并且能够在各种类型的升力型风力机上应用，能够有效提高升力型风力机的启动性能，并保证升力型风力机在启动后的运行阶段拥有较高的输出功率。
附图说明
图1为本发明的一种可提高升力型风力机启动性能的自适应变形叶片(叶片后缘段为空心结构)在无风状态下的结构示意图；
图2为本发明的一种可提高升力型风力机启动性能的自适应变形叶片(叶片后缘段为空心结构)在有风状态下的结构示意图；
图3为本发明的一种可提高升力型风力机启动性能的自适应变形叶片(叶片后缘段为实心结构)在无风状态下的结构示意图；
图4为本发明的一种可提高升力型风力机启动性能的自适应变形叶片(叶片后缘段为实心结构)在有风状态下的结构示意图；
图5为实施例中三种类型叶片的启动特性曲线图；
图6为实施例中用于风洞实验的平板叶片的结构示意图；
图7为实施例中用于风洞实验的固定翼型叶片的结构示意图；
图中，1—叶片前缘段，2—叶片自适应变形段，3—叶片后缘段，4—刚性主梁，5—一级透气孔或透气槽，6—二级透气孔或透气槽，7—平板叶片，8—固定翼型叶片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1～4所示，一种可提高升力型风力机启动性能的自适应变形叶片，分为叶片前缘段1、叶片自适应变形段2及叶片后缘段3；所述叶片前缘段1和叶片自适应变形段2均为空心结构，叶片前缘段1的叶面由刚性材料制成，叶片自适应变形段2的叶面由柔性材料制成；所述叶片后缘段3为空心结构或实心结构，叶片后缘段3的叶面或叶身由刚性材料制成；所述叶片前缘段1与叶片后缘段3之间通过刚性主梁4相连，所述叶片自适应变形段2连接在叶片前缘段1和叶片后缘段3之间，且刚性主梁4位于叶片自适应变形段2的叶面内侧；在所述叶片前缘段1迎风侧的叶面上开设有一级透气孔或透气槽5；在所述刚性主梁4上开设有二级透气孔或透气槽6。
在无风状态下，所述叶片自适应变形段2的叶面呈平面状态；在有风状态下，所述叶片自适应变形段2的叶身截面形状为翼型。
所述自适应变形叶片的弦长记为L0，且在自适应变形叶片的弦长方向上，所述叶片前缘段1的长度记为L1，所述叶片自适应变形段2的长度记为L2，所述叶片后缘段3的长度记为L3；其中，L1≤40％·L0，L2＝(10％～90％)·L0，L3≤10％·L0。
下面结合附图说明本发明的一次使用过程：
具体对本发明的自适应变形叶片进行风洞实验。
实验前，需要准备三种类型的叶片，第一种为本发明的自适应变形叶片，第二种为平板叶片7(如图6所示)，第三种为固定翼型叶片8(如图7所示)。其中，平板叶片7的截面为矩形，且相对厚度为9％；而固定翼型叶片8的截面翼型为NACA0018，且相对厚度为18％；并且，三种类型的叶片长度均为0.3m；实验载体为水平轴升力型风力机。
实验时，三种类型的叶片均选取两片进行实验，并且来流风速均为8m/s，并最终得到三种类型叶片的启动特性曲线(即转速随时间的变化曲线)，如图5所示。
对于平板叶片来说，从图5中可以看出，相对较薄的平板叶片能够快速启动并达到稳定转速，但转速稳定后的转速值较低。
对于固定翼型叶片来说，从图5中可以看出，由于叶片相对较厚，叶片的启动时间花费较长，但随着时间的推移，也会达到稳定转速，并且转速稳定后的转速值也较高。
对于本发明的自适应变形叶片，从图5中可以看出，叶片启动初始阶段，由于转速较低，叶片迎风侧的静压较低，通过一级透气孔或透气槽5和二级透气孔或透气槽6进入叶片内部空腔的压力，还不足以使叶片自适应变形段2的叶面发生快速膨胀，此时的叶片启动特性更接近于平板叶片；但是随着转速的不断提高，叶片迎风侧的静压逐渐增大，叶片内部空腔的压力也将逐渐增高，使叶片自适应变形段2叶面的膨胀速度逐渐增大，此时的叶片启动特征将越来越趋近于固定翼型叶片。
通过上述风洞实验结果可知，本发明的自适应变形叶片，因为在启动初期具有接近于平板叶片的启动特性，因此可以有效提高升力型风力机的启动性能，而启动中后期会逐渐具有固定翼型叶片的启动特性，因此可保证升力型风力机在启动后的运行阶段拥有较高的输出功率。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (3)

1.一种可提高升力型风力机启动性能的自适应变形叶片，其特征在于：分为叶片前缘段、叶片自适应变形段及叶片后缘段；所述叶片前缘段和叶片自适应变形段均为空心结构，叶片前缘段的叶面由刚性材料制成，叶片自适应变形段的叶面由柔性材料制成；所述叶片后缘段为空心结构或实心结构，叶片后缘段的叶面或叶身由刚性材料制成；所述叶片前缘段与叶片后缘段之间通过刚性主梁相连，所述叶片自适应变形段连接在叶片前缘段和叶片后缘段之间，且刚性主梁位于叶片自适应变形段的叶面内侧；在所述叶片前缘段迎风侧的叶面上开设有一级透气孔或透气槽；在所述刚性主梁上开设有二级透气孔或透气槽。
2.根据权利要求1所述的一种可提高升力型风力机启动性能的自适应变形叶片，其特征在于：在无风状态下，所述叶片自适应变形段的叶面呈平面状态；在有风状态下，所述叶片自适应变形段的叶身截面形状为翼型。
3.根据权利要求1所述的一种可提高升力型风力机启动性能的自适应变形叶片，其特征在于：所述自适应变形叶片的弦长记为L0，且在自适应变形叶片的弦长方向上，所述叶片前缘段的长度记为L1，所述叶片自适应变形段的长度记为L2，所述叶片后缘段的长度记为L3；其中，L1≤40％·L0，L2＝(10％～90％)·L0，L3≤10％·L0。
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