CN110645144A - 一种带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机，属于风力发电机领域。本发明提供的带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机具有多个翼型叶片，翼型叶片包括：开槽，设置在翼型叶片的上表面上；伸缩滑片，设置在开槽内；驱动装置，用于驱动伸缩滑片伸出开槽或缩回开槽；以及控制系统，用于检测所述翼型叶片的相位角状态并控制所述驱动装置。所以，本发明可以根据叶片运行的攻角控制滑片的伸出和收缩，达到在失速攻角时伸出提高翼型的气动性能，非失速攻角时缩回不影响原有的气动性能，相对于涡流发生器与格尼襟翼，伸缩滑片不会产生额外阻力，整个机构简单重量轻，耗能低，易操作，维护成本低。

Description

一种带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机
技术领域
本发明涉及一种垂直轴风力机，具体涉及一种带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机，属于风力发电机领域。
背景技术
为应对能源需求量增加及化石能源枯竭的巨大危机，风力发电技术作为一种新能源的利用方式，在过去几十年里迅速发展。风力发电机按照风轮转轴与风向关系可分为水平轴风力机和垂直轴风力机。其中，水平轴风力机因适合大型化风电场以及具有相对较高的风能利用系数等优点成为目前主要的研究对象。然而未来适合建造大型风电场的选址已经基本殆尽，因此垂直轴风力机因小型化和与建筑结合的优势受到了越来越多的关注。与水平轴风力机相比，垂直轴风力机具有无需对风，低噪声，设计简单，紧凑性、安装维护成本低等优点。然而，垂直轴风力机的风能利用系数较低，且叶片攻角在运行过程中的大幅变化极易引发动态失速现象。风力机叶片的动态失速不仅会导致升、阻力急剧增加，还会引发较大的涡状扰动，从而极大影响风力机结构的安全运行。
现有提高风力机叶片失速攻角并提升其气动性能的流动控制技术包括：涡流发生器、格尼襟翼、充气前缘技术、施加射流等。虽然经研究，这些被动或主动控制技术能有效减缓或抑制动态失速，提高风力机气动性能和运行安全性。但它们亦有些难以克服的缺点，如被动控制技术易在翼型小攻角下起反作用，导致翼型的气动性能降低；主动控制技术控制和传动机构复杂，需要较大能量输入。
发明内容
本发明是为了解决翼型的气动性能问题而进行的，目的在于提供一种带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机。
本发明提供了一种带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机，具有多个翼型叶片，具有这样的特征，翼型叶片包括：开槽，设置在翼型叶片的上表面；伸缩滑片，设置在开槽内；驱动装置，用于驱动伸缩滑片伸出开槽或缩回开槽；以及控制系统，用于监测所述翼型叶片角度的状态并控制所述驱动装置。
在本发明提供的带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机中，还可以具有这样的特征：其中，开槽距翼型叶片前缘的水平距离为翼型弦长的5％-15％处。
在本发明提供的带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机中，还可以具有这样的特征：其中，驱动装置设置在翼型叶片内部。
在本发明提供的带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机中，还可以具有这样的特征：其中，当伸缩滑片缩回开槽时，该伸缩滑片的顶端与翼型叶片的外表面形成平滑曲线。
本发明提供的带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机中，还可以具有这样的特征：其中，以翼型叶片平行于水平面时的弦长方向为X轴，以平行于水平面且垂直于弦长的方向为Y轴，以同时垂直于水平面和弦长的方向为Z轴，当伸缩滑片伸出开槽时，伸缩滑片在Z轴上的高度为翼型叶片弦长的2％-3％，伸缩滑片伸出开槽部分沿X轴的厚度为翼型叶片弦长的0.5％-0.6％，伸缩滑片伸出开槽部分沿Y轴的长度小于等于开槽所在位置的翼型叶片沿Y轴的宽度。
本发明提供的带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机中，还可以具有这样的特征：其中，驱动装置包括：步进电机，固定设置在翼型叶片上；减速齿轮，固定设置在翼型叶片上，受步进电机驱动；以及曲柄连杆，一端固定设置在减速齿轮上，另一端与伸缩滑片固定连接，随减速齿轮的运动而运动，从而带动伸缩滑片伸出开槽或缩回开槽。
本发明提供的带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机中，还可以具有这样的特征：其中，驱动装置还包括：支持固定装置，用于防止步进电机移位。
本发明提供的带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机中，还可以具有这样的特征：其中，控制系统包括：角度传感器，用于监测叶片所处方位角；以及控制单元，用于控制驱动装置，其中，当角度传感器监测到翼型叶片转至迎风区失速攻角对应的方位角时，生成第一控制信号并将该信号发送至控制单元，控制单元控制驱动装置驱动伸缩滑片从开槽中伸出并保持伸出高度不变；当监测到翼型叶片处于非失速攻角对应的方位角时，生成第二控制信号并将该信号发送至控制单元，控制单元控制驱动装置驱动伸缩滑片完全缩回开槽中。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机，因为在翼型前缘布置可控制的伸缩滑片，所以，本发明可以根据叶片运行的方位角控制滑片的伸出和收缩，达到叶片运行至失速攻角所对应的方位角时伸出提高翼型的气动性能，非失速攻角时缩回不影响原有的气动性能。相对于涡流发生器与格尼襟翼，伸缩滑片不会产生额外阻力，整个机构简单重量轻，耗能低，易操作，维护成本低。
附图说明
图1是本发明的实施例中翼型叶片前缘中伸缩滑片及驱动装置的结构示意图；
图2是本发明的实施例中带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机的翼型叶片的截面图；
图3是使用不带有伸缩滑片的原始翼型叶片的垂直风力机在不同相位角下切向力变化图；
图4是不同尖速比下攻角随相位角变化及伸缩滑片伸出开槽的高度随攻角的变化示意图。
图5是原始翼型叶片和本发明实施例提供的带有前缘滑片的翼型叶片在俯仰运动中的涡量图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
在下述实施例中，弦长是指翼型叶片前缘至后缘连线(即弦线)的长度。
攻角是指来流与翼型叶片弦线的夹角。
尖速比(λ)是指叶片线速度与来流风速的比值。
<实施例>
图1是本发明的实施例中翼型叶片前缘中伸缩滑片及驱动装置的结构示意图。
如图1所示，一种带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机，具有多个翼型叶片1，其中，每个翼型叶片1均具有开槽2、伸缩滑片3、曲柄连杆4、一级减速齿轮5、支持固定装置6、步进电机7以及控制系统(图中未示出)。
在本实施例中，叶片翼型采用NACA0021翼型，最大厚度为21％弦长。
图2是本发明的实施例中带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机的翼型叶片的截面图。
在图2中，c为弦长，u为来流速度，α为攻角。
以翼型叶片平行于水平面时的弦长方向为X轴，以平行于水平面且垂直于弦长的方向为Y轴，以同时垂直于水平面和弦长的方向为Z轴。
如图2所示，开槽2设置在翼型叶片的上表面上，距翼型叶片前缘的距水平离为弦长的10％。开槽2在X轴方向上的宽度为弦长的0.8％，开槽2在Y轴方向上的长度与翼型叶片1在距前缘距离10％弦长处在Y轴方向上的宽度相同。
如图2所示，伸缩滑片3设置在开槽2内，当伸缩滑片缩回开槽时，该伸缩滑片3的顶端与翼型叶片1的外表面形成平滑曲线。当伸缩滑片3伸出开槽2时，伸缩滑片3在Z轴上的高度为翼型叶片1弦长的2％，伸缩滑片3伸出开槽2部分沿X轴的厚度为翼型叶片1弦长的0.5％，伸缩滑片3伸出滑槽2部分沿Y轴的长度等于开槽2所在位置的翼型叶片1沿Y轴的宽度。
图1是本发明的实施例中翼型叶片前缘中伸缩滑片及驱动装置的结构示意图。
如图1所示，曲柄连杆4、一级减速齿轮5、支撑固定装置6以及步进电机7构成了用于驱动伸缩滑片3伸出开槽2或缩回开槽2的驱动装置。
整个驱动装置固定设置在翼型叶片1内部。
支持固定装置6固定设置在翼型叶片1内部，用于固定步进电机7，使步进电机7在翼型叶片1转动时保持稳定，不会发生移位。
步进电机7固定设置在翼型叶片1内部。
减速齿轮5固定设置在翼型叶片1内部，受步进电机7驱动。
曲柄连杆4一端固定设置在减速齿轮5上，另一端与伸缩滑片3固定连接，随减速齿轮5的运动而运动，从而带动伸缩滑片3伸出开槽2或缩回开槽2。
控制系统由角度传感器和控制单元组成。
角度传感器用于监测翼型叶片所处方位角。
控制单元用于控制驱动装置。
当角度传感器监测到翼型叶片转至迎风区失速攻角对应的方位角时，生成第一控制信号并将该信号发送至控制单元，控制单元控制驱动装置驱动伸缩滑片从开槽中伸出并保持伸出高度不变；当监测到翼型叶片处于非失速攻角对应的方位角时，生成第二控制信号并将该信号发送至控制单元，控制单元控制驱动装置驱动伸缩滑片完全缩回开槽中。在叶片旋转至背风区范围内，伸缩滑片完全缩回开槽中，不影响风力机原气动性能。
图3是使用不带有伸缩滑片的原始翼型叶片的垂直风力机在不同相位角下切向力变化图。
如图3所示，由于垂直轴风力机叶片主要在迎风区提供转矩，在背风区叶片所提供的转矩较小。所以，控制系统主要检测迎风区叶片的攻角，背风区范围内滑片保持在叶片内部的缩回状态。
图4是本发明的实施例中攻角随尖速比变化及伸缩滑片伸出开槽的高度随攻角的变化示意图。
如图4所示，在不同尖速比下，叶片在一个旋转周期中的攻角变化也不同。风力机在固定转速下旋转时，叶片的攻角随方位角变化曲线也确定。当角度传感器监测到翼型叶片转至迎风区失速攻角对应的方位角时，生成第一控制信号并将该信号发送至控制单元，控制单元控制驱动装置驱动伸缩滑片从开槽中伸出并保持伸出高度不变；当监测到翼型叶片处于非失速攻角对应的方位角时，生成第二控制信号并将该信号发送至控制单元，控制单元控制驱动装置驱动伸缩滑片完全缩回开槽中。在叶片旋转至背风区范围内，伸缩滑片完全缩回开槽中，不影响风力机原气动性能。
具体地，如图4所示，图4展示了λ＝2时叶片的失速范围及滑片随方位角的变化状态。在本实施例中，正常情况下伸缩滑片保持在开槽内部，不影响叶片原有的气动性能。随叶片旋转，叶片攻角开始增大，当叶片攻角增大到约18°时，叶片对应的方位角约为50°处，叶片前缘开始产生分离涡，此时由角度传感器检测到失速方位角，并由控制系统控制驱动装置运行，驱动伸缩滑片伸出叶片表面并保持滑片最大高度不变，伸出速度与风力机转速和来流风速相关，在此实例中滑片伸至最大高度所用时间为叶片转动约10°方位角的时间。直至叶片再次旋转至约18°攻角，叶片方位角约为170°时，动态失速现象消失，此时由角度传感器检测到此方位角，并由控制系统控制驱动装置运行，驱动伸缩滑片缩回叶片内部，缩回速度为与伸出速度相同。叶片旋转至180°-360°背风区内，叶片的吸力面和压力面互换，此方位角范围内滑片缩至叶片开槽内，不影响风力机原有的气动性能。
图5是原始翼型叶片和本发明实施例提供的带有前缘滑片的翼型叶片在俯仰运动中的涡量图。
如图5所示，当上仰攻角到达22.45°时，原始翼型前缘产生明显的分离涡，且分离涡已从前缘发展到后缘，并从翼型表面开始脱落，出现流动分离，导致翼型升力系数骤降，而具有伸缩滑片的翼型前缘仍保持较好的附着流，仅在尾缘出现分离涡。挡翼型上仰至25°时，伸缩滑片的控制效果进一步显现，抑制了分离涡的产生及脱落，提高了翼型的失速特性。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机，因为在翼型前缘布置可控制的伸缩滑片，所以，本实施例可以根据叶片运行的攻角控制滑片的伸出和收缩，达到在失速攻角时伸出提高翼型的气动性能，非失速攻角时缩回不影响原有的气动性能，相对于涡流发生器与格尼襟翼，伸缩滑片不会产生额外阻力，整个机构简单重量轻，耗能低，易操作，维护成本低。
进一步地，根据本实施例所涉及的带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机，因为翼型开槽位置为翼型弦长(c)10％处，伸缩滑片最高伸出高度为2％c，宽度为0.5％c,长度小于或等于风力机长度，所以，本实施例翼型处于大攻角失速状态下时，伸缩滑片能抑制前缘分离涡的产生和发展，延缓分离涡从翼型前缘脱落，提高风力机的气动性能和运行稳定性。
进一步地，根据本实施例所涉及的带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机，因为驱动装置包括步进电机、曲柄连杆、一级减速齿轮和支撑装置，且位于叶片内部，所以整个驱动装置重量轻，结构简单，易于实现和维护，对风力机流场无干扰。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机，具有多个翼型叶片，其特征在于，所述翼型叶片包括：
开槽，设置在所述翼型叶片的上表面上；
伸缩滑片，设置在所述开槽内；
驱动装置，用于驱动所述伸缩滑片伸出所述开槽或缩回所述开槽；以及
控制系统，用于监测所述翼型叶片的方位角状态并控制所述驱动装置。
2.根据权利要求1所述的带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机，其特征在于：
其中，所述开槽距所述翼型叶片前缘的水平距离为翼型弦长的5％-15％处。
3.根据权利要求1所述的带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机，其特征在于：
其中，所述驱动装置设置在所述翼型叶片内部。
4.根据权利要求1所述的带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机，其特征在于：
其中，当所述伸缩滑片缩回所述开槽时，该伸缩滑片的顶端与所述翼型叶片的外表面形成平滑曲线。
5.根据权利要求1所述的带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机，其特征在于：
其中，以所述翼型叶片平行于水平面时的弦长方向为X轴，以平行于水平面且垂直于弦长的方向为Y轴，以同时垂直于水平面和弦长的方向为Z轴，
当所述伸缩滑片伸出所述开槽时，所述伸缩滑片在Z轴上的高度为所述翼型叶片弦长的2％-3％，所述伸缩滑片伸出开槽部分沿X轴的厚度为所述翼型叶片弦长的0.5％-0.6％，所述伸缩滑片伸出开槽部分沿Y轴的长度小于等于所述开槽所在位置的所述翼型叶片沿Y轴的宽度。
6.根据权利要求1所述的带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机，其特征在于：
其中，所述驱动装置包括：
步进电机，固定设置在所述翼型叶片上；
减速齿轮，固定设置在所述翼型叶片上，受所述步进电机驱动；以及
曲柄连杆，一端固定设置在所述减速齿轮上，另一端与所述伸缩滑片固定连接，随所述减速齿轮的运动而运动，从而带动所述伸缩滑片伸出所述开槽或缩回所述开槽。
7.根据权利要求6所述的带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机，其特征在于：
其中，所述驱动装置还包括：
支持固定装置，用于防止所述步进电机移位。
8.根据权利要求1所述的带有前缘主动伸缩滑片的垂直轴风力机，其特征在于：
其中，所述控制系统包括：
角度传感器，用于监测所述翼型叶片所处方位角；以及
控制单元，用于控制所述驱动装置，
其中，当所述角度传感器监测到所述翼型叶片转至迎风区失速攻角对应的方位角时，生成第一控制信号并将该信号发送至所述控制单元，所述控制单元控制所述驱动装置驱动所述伸缩滑片从所述开槽中伸出并保持伸出高度不变；当监测到所述翼型叶片处于非失速攻角对应的方位角时，生成第二控制信号并将该信号发送至所述控制单元，所述控制单元控制所述驱动装置驱动所述伸缩滑片完全缩回所述开槽中。
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