CN109681377B - 一种基于风力机叶片的自动伸缩涡流发生器系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于风力机叶片的自动伸缩涡流发生器系统，其包括风力机叶片、压力挡板、归位器、连杆机构和涡流发生器；风力机叶片上开设一凹槽；凹槽贯穿叶根；归位器悬空设置在凹槽内；归位器背向叶根的一侧面开设一调节槽；沿压力差的方向，调节槽的内壁安装弹簧；连杆机构的一个自由端铰接在风力机叶片上；连杆机构的另一个自由端通过转轴固定在凹槽位于风力机叶片的部分；连杆机构的一固定端铰接在风力机叶片上并位于归位器和涡流发生器之间；压力挡板通过转轴与连杆机构连接；压力挡板伸入调节槽内并与弹簧接触。本发明利用连杆机构将叶片尾缘处压差信号转变为涡流发生器的位移，从而实现涡流发生器自动伸缩，控制气流分离的效果。

Description

一种基于风力机叶片的自动伸缩涡流发生器系统

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，尤其涉及一种基于风力机叶片的自动伸缩涡流发生器系统。

背景技术

随着我国风力机装机容量逐渐增大，其叶片尺寸显著增加，而早期风力机多选用较薄的翼型，在复杂恶劣的运行环境下，叶片断裂的可能性非常大。目前大型风力机的根部一般采用较厚翼型来提高叶片的结构强度，使得高性能大厚度翼型的研发成为必需。厚翼型自身是非常容易发生流动分离的，而根部翼型的流动状态经常处于非设计工况下，这种情况更加大了发生流动分离的可能性，所以通过控制流动分离来减小风力机叶片阻力逐渐成为风力机气动研究的热点问题。涡流发生器是一种控制边界层流动分离非常有效的手段，能够影响叶片表面上的流动分布，其基本原理如图1所示，向边界层内注入新的涡流能量，它是以某一攻角垂直布置在风力机叶片表面的小展弦比翼型，该小翼的两侧分别是压力面和吸力面，能够产生翼尖涡，且其展弦比较小，翼尖涡的强度较大，高能量的翼尖涡可以促进边界层外高动能流体与边界层内低动能流体的掺混，增加边界层内的能量与动量，降低边界层的厚度，抑制展向流动，从而使湍流边界层的分离延迟或者消除，最终达到翼型增加升力减小阻力的效果，因此对风力机加装涡流发生器的气动性能研究是很有必要的。现有技术装有涡流发生器的风力机结构如图2所示，装有涡流发生器的叶片10叶根尾缘处不会发生流动分离，而未安装有涡流发生器的叶片11，在叶根处出现明显的流动分离。

然而现有技术中被动控制的涡流发生器会给风力机叶片带来一定的气动阻力，即在风力机叶片未发生流动分离时，涡流发生器的存在会影响原先流场的分布，从而影响叶片的气动性能，一些学者提出一种主动控制的涡流发生器，可以根据风力机叶片运行状态，使涡流发生器自由的进出叶片表面，在保证了风力机叶片较好的气动性能之外，也避免了风力机在未失速状态下涡流发生器对叶片产生的阻力。

有学者在叶片后缘设置可根据风力大小进行偏转的襟翼，能够将襟翼的移动量传递给涡流发生器，以实现两者同步运动从而达到涡流发生器自动升降的目的，但现有风力机叶片上的襟翼需要相关电动装置驱动，且涡流发生器的伸缩不能根据叶片表面是否发生流动分离灵活变换。在风力不稳定的环境还会间歇地、不规则周期的增加风力机叶片载荷，使风力发电机面对的发电环境更加复杂。因此，现有技术存在的问题如下：涡流发生器虽然能够在翼型大攻角时抑制流动分离，但是在小攻角时，此成为了一个不必要的装置，不仅会使升力系数有所减小，且会造成附加阻力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于风力机叶片的自动伸缩涡流发生器系统，解决了现有技术中存在的问题，其利用连杆机构将叶片尾缘处压差信号转变为涡流发生器的位移，从而实现涡流发生器自动伸缩，控制气流分离的效果。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于风力机叶片的自动伸缩涡流发生器系统，包括风力机叶片、压力挡板、归位器、连杆机构和涡流发生器；

其中，所述风力机叶片上铰接所述涡流发生器；所述风力机叶片的叶根处开设一凹槽；所述凹槽贯穿所述叶根的边缘；

所述归位器悬空设置在所述凹槽内；所述归位器背向所述叶根的一侧面开设一调节槽；沿气压压力差的方向，所述调节槽的内壁安装弹簧；

所述连杆机构的一个自由端铰接在所述风力机叶片上；所述连杆机构的另一个自由端通过转轴固定在所述凹槽位于风力机叶片的部分；所述连杆机构的一固定端铰接在所述风力机叶片上并位于所述归位器和涡流发生器之间；

所述压力挡板通过转轴与所述连杆机构连接；所述压力挡板伸入所述调节槽内并与所述弹簧接触。

优选地，所述连杆机构包括位于同一平面内的第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆；第一连杆、第三连杆和第四连杆依次铰接；所述第一连杆铰接所述涡流发生器；所述第四连杆铰接在所述凹槽上；所述第二连杆的一端铰接所述风力机叶片，所述第二连杆的另一端同时铰接第一连杆和第三连杆。

优选地，当所述压力挡板远离所述凹槽时并抵在其中一个所述弹簧上的过程中，所述第四连杆和第三连杆朝所述凹槽移动，所述第二连杆顺时针旋转，所述第一连杆朝所述第二连杆移动，所述涡流发生器朝所述风力机叶片移动。

优选地，当所述压力挡板在所述弹簧的压力下朝所述凹槽移动时，所述第四连杆和第三连杆移动并远离所述凹槽，所述第二连杆逆时针旋转，所述第一连杆背向所述第二连杆移动，所述涡流发生器背向所述风力机叶片移动。

优选地，所述涡流发生器的一个铰接点固定在所述风力机叶片的外边缘；所述涡流发生器的另一个铰接点位于所述第一连杆上。

优选地，所述涡流发生器为仿真学设计。

优选地，所述归位器为仿真学设计。

优选地，所述凹槽为直角凹槽。

优选地，所述压力挡板位于所述凹槽的上段。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1)根据叶片尾缘处压差的大小，连杆机构和归位器配合，实现涡流发生器的自动伸缩，从而避免了在小攻角状态下，涡流发生器对风力机叶片产生的附加阻力。

2)涡流发生器表面具有同风力机叶片相同的外形，当涡流发生器缩回时，不会影响原来的流场分布；

3)尾缘凹槽处的压力挡板起到一个很好的密封作用，由于外界空气在凹槽处不流通，风力机叶片尾缘处的流场几乎不受影响。

附图说明

图1为现有技术中装有涡流发生器的翼型；

图2为现有技术中风力机涡流发生器布置图；

图3(a)现有技术中风力机叶片在攻角5.13°下的应力图；

图3(b)现有技术中风力机叶片在攻角10.21°下的应力图；

图4为本发明一实施例的基于风力机叶片的自动伸缩涡流发生器系统的结构图；

图5为图4中A处放大图；

图6为图4中B处放大图。

其中，1-风力机叶片，2-压力挡板，3-归位器，4-连杆机构，41-第一连杆，42-第二连杆，43-第三连杆，44-第四连杆，5-涡流发生器，6-弹簧，7-固定铰链，8-活动铰链，9-转轴，10-安装涡流发生器的叶片，11-未安装涡流发生器的叶片。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的基于风力机叶片的自动伸缩涡流发生器系统进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

在本实施例中，研究发现，当翼型小攻角(图3a)即风力机叶片1表面未发生流动分离时，上表面的压力会从中部向尾缘持续增大。而当大攻角(图3b)流动出现分离后，分离区域的上表面压力基本不发生变化。本实施例根据这一特点，巧妙的利用尾缘处的压差，提出了一种可根据风力机叶片1上表面是否发生流动分离而自动升降涡流发生器5的结构。如图4所示，一种基于风力机叶片的自动伸缩涡流发生器系统，包括风力机叶片1、压力挡板2、归位器3、连杆机构4和涡流发生器5；其中，风力机叶片1上铰接涡流发生器5；风力机叶片1的叶根处开设一凹槽；凹槽贯穿叶根的边缘，即凹槽为通槽；归位器3悬空设置在凹槽内，归位器3的各个侧面均与凹槽间形成间隙，以保证压力挡板2处产生气压差；归位器3背向叶根的一侧面开设一调节槽；沿气压压力差的方向，调节槽的内壁安装弹簧6；连杆机构4的一个自由端铰接在风力机叶片1上；连杆机构4的另一个自由端通过转轴固定在凹槽位于风力机叶片1的部分；连杆机构4的一固定端即固定铰链7铰接在风力机叶片1，固定铰链7位于归位器3和涡流发生器5之间；压力挡板2通过转轴与连杆机构4连接；压力挡板2伸入调节槽内并与弹簧6接触，压力挡板2的作用是在压力差的作用下，在调节槽的两个弹簧6之间上下移动，带动转轴在风力机叶片1上转动，从而带动连杆机构4动作。

如图4～6所示，连杆机构4包括位于同一平面内的第一连杆41、第二连杆42、第三连杆43和第四连杆44；第一连杆41、第三连杆43和第四连杆44依次通过活动铰链8铰接；第一连杆41铰接涡流发生器5；第四连杆44铰接在凹槽上；第二连杆42的一端铰接风力机叶片1，第二连杆42的另一端同时铰接第一连杆41和第三连杆43。

小攻角状态下即当压力挡板2远离凹槽时并抵在其中一个弹簧6的过程中，第四连杆44和第三连杆43朝凹槽移动，第二连杆42顺时针旋转，第一连杆41朝第二连杆42移动，涡流发生器5朝风力机叶片1移动，最终涡流发生器5下移缩回至风力机叶片1上；大攻角时即当压力挡板2在弹簧6的压力下朝凹槽移动时，第四连杆44和第三连杆43移动并远离凹槽，第二连杆42逆时针旋转，第一连杆41背向第二连杆42移动，涡流发生器5背向风力机叶片1移动，最终涡流发生器5完全伸出风力机叶片1。

在本实施例中，涡流发生器5的一个铰接点固定在风力机叶片1的外边缘；涡流发生器5的另一个铰接点位于第一连杆41上。当涡流发生器5完全伸出风力机叶片1，涡流发生器5与风力机叶片1的外边缘铰接。

在本实施例中，涡流发生器5为仿真学设计，当涡流发生器5下移缩回至风力机叶片1之后，涡流发生器5和风力机叶片1配合恢复成原来整片风力机叶片1的外形，使得翼型的气动性能免受影响。

在本实施例中，归位器3为仿真学设计。

在本实施例中，凹槽为直角凹槽。

在本实施例中，压力挡板2位于凹槽的上段。

在本实施例中，凹槽水平设置，垂直于凹槽的方向为上、下方向。

在本实施例中，翼型指的是风力机(飞机)叶片的横截面；边界层指的是高雷诺数下绕流中紧贴物体表面的流动薄层；攻角是指前缘与后缘连线的夹角；涡流发生器5指的是一种有效控制流动分离的装置。

本发明的工作原理为：叶片表面发生流动分离时，涡流发生器5伸出，达到一个很好的表面流场控制效果；叶片表面不发生流动分离时，涡流发生器5缩回，不影响风力机正常运行，让涡流发生器5随叶片运行工况而运动，达到一个很好的控制气流分离的效果。具体的，在叶片的尾缘处，直角凹槽中的压力挡板2两侧与外部空气连通，叶片在小攻角即未发生流动分离时，压力挡板2上部的空气压P1小于压力挡板2下部的空气压P2，压力挡板2在压差的作用下上移，随即带动连杆机构4使涡流发生器5下移，涡流发生器5表面与叶片凹槽具有相同的形状，这样涡流发生器5下移之后可以恢复叶片原来的外形，不会影响翼型的气动性能；叶片在大攻角即叶片发生流动分离时，此时分离区域表面压力基本不发生变化，即P1≈P2，挡板受压差的作用非常小，在可伸缩弹簧6的作用下，压力挡板2下移，随即带动连杆机构4使得涡流发生器5上移，从而达到抑制流动分离的效果。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于风力机叶片的自动伸缩涡流发生器系统，其特征在于，包括风力机叶片、压力挡板、归位器、连杆机构和涡流发生器；

其中，所述风力机叶片上铰接所述涡流发生器；所述风力机叶片的叶根处开设一凹槽；所述凹槽贯穿所述叶根的边缘；

所述归位器悬空设置在所述凹槽内；所述归位器背向所述叶根的一侧面开设一调节槽；沿气压压力差的方向，所述调节槽的内壁安装弹簧；

所述连杆机构的一个自由端铰接在所述涡流发生器上；所述连杆机构的另一个自由端通过转轴固定在所述凹槽位于风力机叶片的部分；所述连杆机构的一固定端铰接在所述风力机叶片上并位于所述归位器和涡流发射器之间；

所述压力挡板通过转轴与所述连杆机构连接；所述压力挡板伸入所述调节槽内并与所述弹簧接触。

2.根据权利要求1所述的基于风力机叶片的自动伸缩涡流发生器系统，其特征在于，所述连杆机构包括位于同一平面内的第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆；第一连杆、第三连杆和第四连杆依次铰接；所述第一连杆铰接所述涡流发生器；所述第四连杆铰接在所述凹槽上；所述第二连杆的一端铰接所述风力机叶片，所述第二连杆的另一端同时铰接第一连杆和第三连杆。

3.根据权利要求2所述的基于风力机叶片的自动伸缩涡流发生器系统，其特征在于，当所述压力挡板远离所述凹槽时并抵在其中一个所述弹簧上的过程中，所述第四连杆和第三连杆朝所述凹槽移动，所述第二连杆顺时针旋转，所述第一连杆朝所述第二连杆移动，所述涡流发生器朝所述风力机叶片移动。

4.根据权利要求2所述的基于风力机叶片的自动伸缩涡流发生器系统，其特征在于，当所述压力挡板在所述弹簧的压力下朝所述凹槽移动时，所述第四连杆和第三连杆移动并远离所述凹槽，所述第二连杆逆时针旋转，所述第一连杆背向所述第二连杆移动，所述涡流发生器背向所述风力机叶片移动。

5.根据权利要求2所述的基于风力机叶片的自动伸缩涡流发生器系统，其特征在于，所述涡流发生器的一个铰接点固定在所述风力机叶片的外边缘；所述涡流发生器的另一个铰接点位于所述第一连杆上。

6.根据权利要求1所述的基于风力机叶片的自动伸缩涡流发生器系统，其特征在于，所述涡流发生器为仿真学设计。

7.根据权利要求1所述的基于风力机叶片的自动伸缩涡流发生器系统，其特征在于，所述归位器为仿真学设计。

8.根据权利要求1所述的基于风力机叶片的自动伸缩涡流发生器系统，其特征在于，所述凹槽为直角凹槽。

9.根据权利要求8所述的基于风力机叶片的自动伸缩涡流发生器系统，其特征在于，所述压力挡板位于所述凹槽的上段。

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