CN109555641B - 一种升阻混合式水平轴风力机叶片 - Google Patents

Abstract

一种升阻混合式水平轴风力机叶片，在叶片表面布设有采用升降式安装结构的薄膜阻力翼，阻力翼升起时与叶片表面垂直，阻力翼收起时与叶片表面紧密贴合；叶片内部设有阻力翼升降驱动机构，包括伸缩驱动缸、传力架、传力杆、升降板，伸缩驱动缸缸体与叶片固连，伸缩驱动缸活塞杆依次通过传力架、传力杆及连杆与升降板相连，升降板铰接在叶片上；叶片表面开设有升降板收纳槽，升降板收起时，通过升降板填补升降板收纳槽在叶片表面留下的缺口，恢复叶片原本气动外形；传力杆、升降板及连杆共设置两套，且分别位于叶片前缘段和后缘段，薄膜阻力翼一端固连在叶片前缘段的升降板上，薄膜阻力翼另一端固连在叶片后缘段的升降板上，薄膜阻力翼与升降板随动。

Description

一种升阻混合式水平轴风力机叶片

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，特别是涉及一种升阻混合式水平轴风力机叶片。

背景技术

随着环境和能源问题日益突出，可再生能源的开发和利用得到世界各国的重视，而风能在可再生能源的利用中占有很大的比例，风力发电作为对风能利用的主要形式受到越来越多的重视。

现阶段，用于并网运行的大型风力发电机组，大多为水平轴风力发电机组，并且技术已经很成熟；水平轴风力机一般靠叶片的升力在旋转剖面的切向分力做功，俗称升力型风力机；虽然升力型风力机有其自身的优点，如高尖速比、高风能利用率，但其风机启动问题始终是个难题，一般风机的启动风速通常需要达到5m/s以上，少数风机的启动风速甚至高达7m/s，这大大降低了水平轴风力发电机组的风能利用率。

为了获得更小启动风速，垂直轴风力机派生了相应的升阻混合型风力机，但水平轴风力机至今没有发展出可行的升阻混合型风力机。

由于水平轴风力发电机的叶片阻力有两个来源，第一是由于空气流体与叶片表面摩擦所产生的剪应力，第二是叶片表面非对称压强分布所产生的压差阻力；实际中，边界层的作用类似于减小了流动通道(或可理解为增加了物体的等效厚度)，使叶片后部压力比无粘流时小，进而形成压差阻力；当流动发生分离时，分离区速度很小，从分离点开始，压力基本不变，分离将在叶片的后部形成分离区和尾流，它们都是低压区，将导致很强的压差阻力(分离阻力)。

因此，为了使阻力减小就需要把边界层的发展控制在最小的限度内，并设法防止发生分离，而流线型的采用以及扩压器最适宜扩散角的选择等都是建立在这个观点上的，特别是在翼型的设计中更是如此，例如把叶片最厚的位置向后挪动，使叶片吸力面的压力梯度尽可能地变小，这时边界层会更加稳定且容易保持层流，层流边界层的壁面剪切应力较湍流的小，所以形成了阻力比较小的翼型(层流翼型)。

但是，通过对边界层以外的主流流动控制来防止边界层发展和分离的方式，实施过程始终比较繁琐和复杂，如果可以在不改变主流状态而通过直接改变边界层性质来实现流动分离控制，将极大的简化实施过程，同时提高水平轴风力发电机的风能利用率。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种升阻混合式水平轴风力机叶片，可以在不改变主流状态而通过直接改变边界层性质来实现流动分离控制，本发明的叶片仅通过对现有翼型叶片进行简单改造即可获得，当水平轴风力机安装了本发明的叶片后，可以有效提高水平轴风力机的低速启动性能，进而有效提高水平轴风力机的风能利用率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种升阻混合式水平轴风力机叶片，在叶片表面布设有薄膜阻力翼，薄膜阻力翼采用升降式安装结构；当薄膜阻力翼处于升起状态时，薄膜阻力翼与叶片表面相垂直；当薄膜阻力翼处于收起状态时，薄膜阻力翼与叶片表面紧密贴合在一起。

在所述薄膜阻力翼与叶片之间安装有阻力翼升降驱动机构，阻力翼升降驱动机构位于叶片内部；所述阻力翼升降驱动机构包括伸缩驱动缸、传力架、传力杆、升降板及连杆；所述伸缩驱动缸的缸体与叶片相固连，伸缩驱动缸的活塞杆与传力架相固连，伸缩驱动缸与叶片展长方向相平行，伸缩驱动缸与传力架相垂直；所述传力杆一端固连在传力架上，传力杆与伸缩驱动缸相平行；所述连杆一端铰接在传力杆上，连杆另一端铰接在升降板下表面，升降板铰接在叶片上；在叶片表面开设有升降板收纳槽，当升降板处于收起状态时，通过升降板填补升降板收纳槽在叶片表面留下的缺口，恢复叶片原本的气动外形。

所述传力杆、升降板及连杆共设置两套，第一套位于叶片前缘段，第二套位于叶片后缘段；所述薄膜阻力翼一端固连在叶片前缘段的升降板上，薄膜阻力翼另一端固连在叶片后缘段的升降板上，薄膜阻力翼与升降板进行随动。

所述薄膜阻力翼的长度方向与叶片弦长方向呈25°～30°的夹角。

所述薄膜阻力翼在叶片上共布置三处，三处薄膜阻力翼在叶片展长方向上均匀分布。

当所述薄膜阻力翼处于升起状态时，薄膜阻力翼的高度为叶片弦长的2％～5％。

本发明的有益效果：

本发明的升阻混合式水平轴风力机叶片，可以在不改变主流状态而通过直接改变边界层性质来实现流动分离控制，本发明的叶片仅通过对现有翼型叶片进行简单改造即可获得，当水平轴风力机安装了本发明的叶片后，可以有效提高水平轴风力机的低速启动性能，进而有效提高水平轴风力机的风能利用率。

附图说明

图1为本发明的一种升阻混合式水平轴风力机叶片(薄膜阻力翼处于升起状态)结构示意图；

图2为图1中A-A剖视图；

图3为图1中I部放大图；

图4为图2中II部放大图；

图5为本发明的一种升阻混合式水平轴风力机叶片(薄膜阻力翼处于收起状态)结构示意图；

图6为图5中B-B剖视图；

图7为图6中III部放大图；

图中，1—薄膜阻力翼，2—伸缩驱动缸，3—传力架，4—传力杆，5—升降板，6—连杆，7—升降板收纳槽，8—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1～7所示，一种升阻混合式水平轴风力机叶片，在叶片8表面布设有薄膜阻力翼1，薄膜阻力翼1采用升降式安装结构；当薄膜阻力翼1处于升起状态时，薄膜阻力翼1与叶片8表面相垂直；当薄膜阻力翼1处于收起状态时，薄膜阻力翼1与叶片8表面紧密贴合在一起。

在所述薄膜阻力翼1与叶片8之间安装有阻力翼升降驱动机构，阻力翼升降驱动机构位于叶片内部；所述阻力翼升降驱动机构包括伸缩驱动缸2、传力架3、传力杆4、升降板5及连杆6；所述伸缩驱动缸2的缸体与叶片相固连，伸缩驱动缸2的活塞杆与传力架3相固连，伸缩驱动缸2与叶片展长方向相平行，伸缩驱动缸2与传力架3相垂直；所述传力杆4一端固连在传力架3上，传力杆4与伸缩驱动缸2相平行；所述连杆6一端铰接在传力杆4上，连杆6另一端铰接在升降板5下表面，升降板5铰接在叶片8上；在叶片8表面开设有升降板收纳槽7，当升降板5处于收起状态时，通过升降板5填补升降板收纳槽7在叶片8表面留下的缺口，恢复叶片原本的气动外形。

所述传力杆4、升降板5及连杆6共设置两套，第一套位于叶片8的前缘段，第二套位于叶片8的后缘段；所述薄膜阻力翼1一端固连在叶片8前缘段的升降板5上，薄膜阻力翼1另一端固连在叶片8后缘段的升降板5上，薄膜阻力翼1与升降板5进行随动。

所述薄膜阻力翼1的长度方向与叶片弦长方向呈25°～30°的夹角。

所述薄膜阻力翼1在叶片8上共布置三处，三处薄膜阻力翼1在叶片展长方向上均匀分布。

当所述薄膜阻力翼1处于升起状态时，薄膜阻力翼1的高度为叶片弦长的2％～5％。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

通过查取翼型手册，选取叶片翼型为对称翼型0018，按照选取的翼型制作两组叶片，第一组叶片为传统叶片，第二组叶片在传统叶片基础上按照本发明进行改造，本发明叶片所用的薄膜阻力翼1选用厚度为0.2mm～0.5mm的皮质薄膜；两组叶片均为木质结构，叶片弦长为60mm，叶片展长为280mm；每组内的叶片数量均为三个；由于叶片为木质结构，为了降低开槽后对本发明叶片的强度造成影响，可以在槽内装入刚性较好的金属加固件，同时为了保证水平轴风力试验机在转动过程的平衡，每个叶片内的金属加固件的安装位置要保持一致。

上述准备工作结束后，分别将两组叶片组装到水平轴风力试验机上，先对安装有传统叶片的水平轴风力试验机进行试验。在试验过程中，传统叶片进行工作时，需要依靠叶片本身的升力在旋转圆周切向分力来产生动力，由于叶片本申请的升力虽然很大，但由于其安装角度较小，因此其切向分力很小，当切向分力不能克服风力试验机的系统阻力时，风机将不能启动，因此只有风力增大到可以提供足够的切向分力时，风机才能启动，此时也决定了传统叶片下的水平轴风力试验机的风能利用率。

接下来，对安装有本发明叶片的水平轴风力试验机进行试验。在试验过程中，本发明的叶片工作时，在风机启动前，先控制伸缩驱动缸2的活塞杆伸出，依次带动传力架3和传力杆4同步移动，通过传力杆4的移动带动连杆6移动，通过连杆6的移动将升降板5由收起状态调整为升起状态，薄膜阻力翼1将直接从叶片表面抬离，直到与叶片表面相垂直。

当气流流过薄膜阻力翼1时，气流的方向将被薄膜阻力翼1改变，而气流的反作用力将转化为叶片的旋转动力；当叶片启动后，在低速范围内，薄膜阻力翼1的正面阻力将大于其旋转产生的负面阻力，此时薄膜阻力翼1的正面阻力做正功；随着叶片转速的逐渐提高，当薄膜阻力翼1旋转产生的负面阻力超过薄膜阻力翼1的正面阻力时，薄膜阻力翼1因负面阻力过大将对叶片的旋转产生阻碍作用，此时需要控制伸缩驱动缸2的活塞杆回缩，使薄膜阻力翼1重新贴合到叶片表面，恢复叶片原本的气动外形，有效保证叶片原本的气动性能，最终提高了水平轴风力试验机的低速启动性能，从而使水平轴风力试验机的风能利用率得到提高。

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)

1.一种升阻混合式水平轴风力机叶片，其特征在于：在叶片表面布设有薄膜阻力翼，薄膜阻力翼采用升降式安装结构；当薄膜阻力翼处于升起状态时，薄膜阻力翼与叶片表面相垂直；当薄膜阻力翼处于收起状态时，薄膜阻力翼与叶片表面紧密贴合在一起；在所述薄膜阻力翼与叶片之间安装有阻力翼升降驱动机构，阻力翼升降驱动机构位于叶片内部；所述阻力翼升降驱动机构包括伸缩驱动缸、传力架、传力杆、升降板及连杆；所述伸缩驱动缸的缸体与叶片相固连，伸缩驱动缸的活塞杆与传力架相固连，伸缩驱动缸与叶片展长方向相平行，伸缩驱动缸与传力架相垂直；所述传力杆一端固连在传力架上，传力杆与伸缩驱动缸相平行；所述连杆一端铰接在传力杆上，连杆另一端铰接在升降板下表面，升降板铰接在叶片上；在叶片表面开设有升降板收纳槽，当升降板处于收起状态时，通过升降板填补升降板收纳槽在叶片表面留下的缺口，恢复叶片原本的气动外形；所述传力杆、升降板及连杆共设置两套，第一套位于叶片前缘段，第二套位于叶片后缘段；所述薄膜阻力翼一端固连在叶片前缘段的升降板上，薄膜阻力翼另一端固连在叶片后缘段的升降板上，薄膜阻力翼与升降板进行随动；所述薄膜阻力翼的长度方向与叶片弦长方向呈25°～30°的夹角。

2.根据权利要求1所述的一种升阻混合式水平轴风力机叶片，其特征在于：所述薄膜阻力翼在叶片上共布置三处，三处薄膜阻力翼在叶片展长方向上均匀分布。

3.根据权利要求1所述的一种升阻混合式水平轴风力机叶片，其特征在于：当所述薄膜阻力翼处于升起状态时，薄膜阻力翼的高度为叶片弦长的2%～5%。