CN111271218A - 一种前缘可变形的垂直轴风力机叶片及垂直轴风力机 - Google Patents

一种前缘可变形的垂直轴风力机叶片及垂直轴风力机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种前缘可变形的垂直轴风力机叶片及垂直风力机,涉及一种适用于垂直轴风力机的叶片，包括对称型的叶片主体，叶片主体的前缘两侧均安装有气囊结构，且两个气囊结构呈对称排布；所述气囊结构的一侧与叶片主体的侧面衔接，气囊结构的另一侧与叶片主体的前缘呈流线衔接；所述叶片主体内部还安装有对两个气囊结构供气的供气系统；供气系统由迎角传感器的测量结果进行控制，达到叶片形状动态控制的目的。本发明克服了常规对称翼型升力系数不高的缺点，提升了叶片在整个旋转周期内的升力及动态失速迎角，有利于叶片捕获更多风能，提高输出功率。

Description

一种前缘可变形的垂直轴风力机叶片及垂直轴风力机
技术领域
本发明涉及垂直轴风力机技术领域，具体而言，涉及一种前缘可变形的垂直轴风力机叶片及垂直轴风力机。
背景技术
垂直轴风力机市场上出现较晚，尽管在理论上垂直轴风力机与水平轴风力机具有相同的效率，但由于垂直轴风力发电机对风向要求不高、发电机组维护性好、噪音低等优点，使垂直轴风力机成为现如今的研究热点。
在垂直轴力风机工作状态下，垂直轴风力机的叶片迎角呈非定常周期变化，使叶片迎角有可能在接近±90°的范围内交替变化，不仅使垂直轴力风机的气动性能受到影响，且使叶片的升力也会受到严重影响，而常规带弯度高升力的叶片难以发挥效能，因此，垂直轴风力机的叶片一般采用对称翼型；同时，由于叶片的攻角变化迅速，使得绕叶片的流动会产生所谓的“动态失速”现象，使叶片迎角的周期变化引起非定常流动，使气动力出现非线性迟滞，而动态失速还会引起结构振动，降低风力机效率，引起额外的噪声。
为克服上述问题，现有的垂直轴风力机上均安装有变距机构，从而使得叶片迎角保持在一定范围内，但当垂直轴风力机的尺寸增大到一定程度时，自由来流条件沿叶片展向有明显变化，此时很难维持一个最佳角度；而另一方面，由于垂直轴风力电机在工作状态下叶片具有很大的惯量，给变距系统的反应速度及载荷带来很大的挑战。因此，急需一种风力机叶片能通过主动流动控制的方式来大幅度提升叶片气动性能，以此抑制动态失速现象，提高垂直轴风力机效率，改善风力机运行品质。
发明内容
针对垂直轴风力机面临严重动态失速现象，叶片气动效益发挥不显著的问题，本发明提供了一种前缘可变形的垂直轴风力机叶片，通过主动改变叶片前缘形状来改善其附近流动品质，从而提高风力机捕获风力的能力，并减小风力机的结构振动，同时抑制噪声。
为实现本发明目的，采用的技术方案为：一种前缘可变形的垂直轴风力机叶片，包括对称型的叶片主体，叶片主体的前缘两侧均安装有气囊结构，且两个气囊结构呈对称排布；所述气囊结构的一侧与叶片主体的侧面衔接，气囊结构的另一侧与叶片主体的前缘呈流线衔接；所述叶片主体内部还安装有对两个气囊结构供气的供气系统。
进一步的，所述气囊结构包括位于叶片主体前缘的充气囊；所述充气囊与叶片主体的最大厚度处衔接有可变形的整流结构。
进一步的，所述充气囊的凸出方向与叶片主体的中心对称线之间的夹角为15°～60°。
进一步的，所述整流结构为柔性膜片，且整流结构与充气囊、叶片主体共同形成密闭空间，且叶片主体上还开设有与密闭空间连通的通孔。
进一步的，所述供气系统包括固定安装在叶片主体内的空气泵，且空气泵的出口与两个充气囊之间均连接有通风管路。
进一步的，所述空气泵为三相气泵。
进一步的，所述通风管路上安装有开关阀。
一种垂直轴风力机，包括上述叶片，还包括旋转轴和安装在旋转轴上的支架，所述叶片安装在支架上，且支架上还嵌装有迎角传感器。
进一步的，所述旋转轴内还安装有供电电源和控制器，控制器的输入端与迎角传感器的输出端电连接，且控制器的输出端与供气系统电连接。
本发明的有益效果是,
1、通过在叶片主体前缘处安装两个气囊结构，使叶片在绕中心转动时可根据叶片位置及风场来流条件主动改变叶片形状，克服了常规对称翼型升力系数不高的缺点，提升了叶片在整个旋转周期内的升力，有利于叶片捕获更多风能，提高输出功率。
2、通过调节两个气囊结构，使叶片前缘处的弯度动态发生改变，提高了叶片的失速迎角，提高了叶片最大升力系数，有利于提高垂直轴力风机的效率。
3、由于叶片前缘处的弯度动态发生改变，从而减缓了动态失速现象，降低结构振动及噪声，有利于提升风力机运行稳定及安全性。
附图说明
图1是本发明提供的前缘可变形的垂直轴风力机叶片的结构图；
图2是垂直轴风力机叶片运行示意图
图3是现有垂直轴风力机的运行示意图；
图4是本发明提供的前缘可变形的垂直轴风力机叶片的空气动力分析示意图；
图5是本发明提供的前缘可变形的垂直轴风力机叶片的运行示意图。
附图中标记及相应的零部件名称：
1、叶片主体，2、气囊结构，3、供气系统,4、叶片支架，5、迎角传感器，6、风机旋转轴；
21、充气囊，22、整流结构；
31、空气泵，32、通风管路。
具体实施方式
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
如图1所示，本发明提供的一种前缘可变形的垂直轴风力机叶片，包括对称型的叶片主体1，叶片主体1的前缘两侧均安装有气囊结构2，且两个气囊结构2呈对称排布；所述气囊结构2的一侧与叶片主体1的侧面流线衔接，气囊结构2的另一侧与叶片主体1的前缘衔接；所述叶片主体1内部还安装有对两个气囊结构2供气的供气系统3。
所述叶片主体1的两侧是指叶片远离垂直轴风力机旋转轴6的一侧和叶片靠近垂直轴风力机旋转轴6的一侧，且叶片主体1的两侧沿叶片主体1的中心对称，使叶片主体1外壁呈对称结构。
两个所述气囊结构2同时在充气状态下时，叶片的前端具有V型槽，此时叶片的两个侧面之间的间距从叶片的前缘至叶片的尾缘逐渐变小，使叶片的两个侧面保持流线型。当其中一个气囊结构2充气，另一个气囊结构2未充气时，未充气的气囊结构2贴附在叶片主体1上，使靠近未充气气囊结构2一侧叶片主体1表面保持原有的流线型；而充气的气囊结构2一侧与叶片主体1前缘相切，充气的气囊结构2另一侧与叶片主体1侧面相切，使靠近充气气囊结构2一侧的叶片主体1也能保持流线型，最终使叶片主体1的前缘在发生倾斜的同时保持叶片表面仍呈流线型。
所述叶片主体1内部呈空心结构，且叶片主体1的尾缘处具有通风间隙，使外界的空气能通过通风间隙进入到叶片主体1内部，从而使供气系统3能对两个气囊结构2供气；当叶片主体1的尾缘处不具有通风间隙时，可直接在供气系统3的进气口处连接一个进气管，将进气管的出口端向叶片主体1的尾缘处延伸，并使进气管的出口端与叶片主体1的外表面平齐。
所述气囊结构2包括位于叶片主体1前缘的充气囊21；所述充气囊21与叶片主体1的侧面衔接有可变形的整流结构22；所述整流结构22位于充气囊21的后侧，由于充气囊21在充气后形状难以得到保证与叶片主体光滑过渡，使充气囊21与叶片主体1的侧面之间难以衔接呈流线型，通过在充气囊21与叶片主体1的侧面之间衔接整流结构22，当充气囊21在充气后，通过整流结构22的衔接，使靠近被充气的充气囊21一侧的叶片主体1表面能保持流线型，使充气囊21在充气后，叶片主体1的表面更加光滑。
所述充气囊21的凸出方向与叶片主体1的中心对称线之间的夹角为15°～60°，所述充气囊21的凸出方向即为充气囊21在充气后，充气囊21最凸出点相对于叶片主体1的中心对称线倾斜的方向，而充气囊21的突出方向与叶片主体1的中心对称线之间的具体夹角数根据叶片主体1的大小、叶片主体1距离垂直轴风力机旋转轴的距离等因数决定。
所述充气囊21充气后，充气囊21的顶部呈圆弧状，使充气囊21的突出点能代替叶片主体1的前缘，从而使叶片的前缘发生变化，从而使叶片的失速迎角发生变化，提高了叶片最大升力系数，有利于提高风力机效率。
所述整流结构22为柔性膜片，且整流结构与充气囊、叶片主体共同形成密闭空间，且叶片主体上还开设有与密闭空间连通的通孔；所述通孔使密闭空间与叶片本体的内部连通，由于叶片本体内部与大气连通，从而使密闭空间与大气联通，使充气囊21在鼓起后，叶片的表面呈流线型，有效防止在充气囊21鼓起后形成不连续的叶片形状。
所述供气系统3包括固定安装在叶片主体1内的空气泵31，且空气泵31的出口与两个充气囊21之间均连接有通风管路32；所述空气泵31通过螺钉安装在叶片主体1内，且两个通风管路32的进气端共同并联在空气泵31的出口端上，而两个通风管路32的出气端均贯穿叶片主体1与两个充气囊21连通，为了防止通风管路32的出气端对充气囊21造成损伤，使通风管路32的出气端与叶片本体的表面平齐；或还可在叶片本体上安装两个用于分别对两个充气囊21充气的充气嘴，将两个通风管路32的出气端分别与两个充气嘴连接即可。
所述空气泵31为三相气泵，即空气泵31内的叶轮可进行正反转，使空气泵31即可向充气囊21充气，也可将充气囊21内的空气排出，使一个空气泵31即可实现充气囊21的充气和排气，使结构更加简单，设备成本更低。
所述通风管路32上安装有开关阀，开关阀可采用电磁阀，通过开关阀控制通风管路32的打开和关闭，使需要对其中一个充气囊21充气时，电磁阀能将另一充气囊21对应的通风管路32关闭，避免空气泵31的充气对另一充气囊21造成影响；同时，通过开关阀控制通风管道，使充气囊21在充气完毕后，可通过电磁阀对对应的通风管道进行关闭，使充气囊21封闭，从而不需要通过空气泵31持续对充气囊21鼓风。
实施例2
如图2所示，本实施例2公开了一种垂直轴风力机，叶片主体1通过支架4安装在旋转轴6上，并在旋转轴6内嵌装用于对空气泵31供电的供电电源，并在空气泵31与供电电源之间安装一个继电器；同时，在支架4上嵌装迎角传感器5，并在旋转轴6内安装一个控制器，控制器的输入端与迎角传感器5的输出端连接，控制器的输出端分别与继电器和两个开关阀的输入端连接；所述迎角传感器5为风速风向传感器，具体可采用型号为CFF-2D-3的风速风向传感器；所述控制器的型号为GD32F330RBT6，根据风速风向传感器的迎角测量结果，当控制器可通过向继电器发出控制信号，从而实现对空气泵31的转动进行控制，当控制器向开关阀发出控制信号时，开关阀动作，从而实现对通风管路32的开关进行控制。
所述迎角传感器5能有效测出风的流动速度和风的流动方向，从而确定叶片的迎风面和背风面。以迎角传感器5所在的支架4为参考，当迎角偏向安装叶片的一端，则靠近旋转轴6的叶片一侧为迎风面，叶片另一侧为背风面；当迎角偏向旋转轴6的一端，则远离旋转轴6的叶片一侧为迎风面，叶片另一侧为背风面。
为了方便对充气囊21内的气量进行检测，还可在两个通风管路2内壁安装一个风量传感器，风量传感可采用型号为KGF2的风量传感器，在垂直轴风力机在正常工作过程中，充气囊21的气量随着迎角的增大而增大，当迎角达到或超过10°时，充气量达到最大；同时背风面的气囊保持不充气的状态。
如图3所示，当垂直轴力风机逆时针方向旋转，风的方向从左向右，而垂直轴力风机的旋转轴上安装有3个叶片，叶片绕垂直轴力风机的旋转轴转动的半径为R，叶片弦长为c，若采用带有固定弯度的叶片，由于垂直轴风力机的周期旋转，叶片弯度在一半的旋转周期内起正作用，叶片弯度在在另一半周期内则起副作用。而本发明采用动态改变叶片弯度的方式，使得叶片弯度与叶片迎角相适应，使叶片弯度在整个周期内对空气动力都产生正向作用，从而提高叶片上的升力。
如图4所示，当采用本发明提供的前缘可变形的垂直轴风力机叶片，当风与叶片的相对速度为Vr时，位于叶片主体1外侧的充气囊21紧附于叶片主体1外侧，使叶片主体1外侧面保持原有叶片主体1的形状，而空气泵31通过通风管道对叶片主体1内侧的充气囊21处于充气状态，使叶片主体1内侧的充气囊21鼓起，叶片主体1内侧的充气囊21鼓起的同时使整流结构22被拉直，使充气囊21与整流结构22共同形成了叶片前缘形状。由于前缘形状的改变，使叶片具有一定的弯度，使叶片在此时的迎角下产生了升力L，而升力L的切向投影La是驱动风力机旋转的动力，若叶片为原有的对称型叶片则产生的升力L’相比有弯度叶片的升力L要小，而相应的切向投影也小。因此，本发明提供的前缘可变形的垂直轴风力机叶片的前缘有利于提高叶片上的升力；另一方面，叶片弯度能够改善叶片的动态失速特性，提高失速迎角，增大最大升力系数，使叶片在提高动态气动特性的同时，减小结构振动与噪声。
如图5所示，垂直轴力风机逆时针方向旋转，风从正西方至正东方，当叶片绕垂直轴风力机旋转轴旋转至正北方时，迎角传感器测得叶片的迎角为0°，位于叶片本体外侧的充气囊21和位于叶片主体1内侧的充气囊21均紧附于叶片主体1上，此时叶片形状对称，不产生升力，阻力较小；当叶片绕垂直轴风力机旋转轴从正北方旋转至正西方时，此时迎角传感器可确定叶片主体1外侧为迎风面，与叶片主体1内侧充气囊21对应的通气管路上的开关阀关闭，而空气泵31向与叶片主体1外侧充气囊21对应的通气管道上的开关阀打开，并通过空气泵31向该通气管路通入压缩空气，进入到该通气管路的压缩空气进入到位于叶片外侧的充气囊21内，使位于叶片外侧的充气囊21完全鼓起，使叶片弯度也逐渐达到最大，此时叶片上的升力为L，大于常规对称叶片的升力L’，同时，由于叶片的弯度起到正向作用，从而增加了叶片的升力，提高了动态失速迎角及最大升力系数；当叶片绕垂直轴风力机旋转轴从正西方旋转至正南方时，迎角传感器测得的叶片迎角逐渐减小至0°，空气泵31反向旋转，使空气泵31通过通气管路对向与叶片主体1外侧的充气囊21进行抽气，使位于叶片主体1外侧的充气囊21紧附于叶片主体1，叶片形状恢复对称形态，此时叶片不产生升力，阻力较小；当叶片绕垂直轴风力机旋转轴从正南方旋转至正东方时，迎角传感器可确定叶片主体1内侧为迎风面，且迎角逐渐增大，与叶片主体1外侧充气囊21对应的通气管路上的开关阀关闭，而空气泵31向与叶片主体1内侧充气囊21对应的通气管道上的开关阀打开，并通过空气泵31向该通气管路通入压缩空气，进入到该通气管路的压缩空气进入到位于叶片内侧的充气囊21内，使位于叶片外侧的充气囊21完全鼓起，使叶片弯度也逐渐达到最大，此时叶片上的升力为L，大于常规对称叶片的升力L’，同时，由于叶片的弯度起到正向作用，从而增加了叶片的升力，提高了动态失速迎角及最大升力系数；当叶片绕垂直轴风力机旋转轴从正东方旋转至正北方时，空气泵31反向旋转，使空气泵31通过通气管路对向与叶片主体1内侧的充气囊21进行抽气，使位于叶片主体1内侧的充气囊21紧附于叶片主体1，叶片形状恢复对称形态，此时叶片不产生升力，阻力较小。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种前缘可变形的垂直轴风力机叶片，其特征在于，包括对称型的叶片主体(1)，叶片主体(1)的前缘两侧均安装有气囊结构(2)，且两个气囊结构(2)呈对称排布；所述气囊结构(2)的一侧与叶片主体(1)的侧面衔接，气囊结构(2)的另一侧与叶片主体(1)的前缘呈流线衔接；所述叶片主体(1)内部还安装有对两个气囊结构(2)供气的供气系统(3)。
2.根据权利要求1所述的前缘可变形的垂直轴风力机叶片，其特征在于，所述气囊结构(2)包括位于叶片主体(1)前缘的充气囊(21)；所述充气囊(21)与叶片主体(1)的最大厚度处衔接有可变形的整流结构(22)。
3.根据权利要求2所述的前缘可变形的垂直轴风力机叶片，其特征在于，所述充气囊(21)的凸出方向与叶片主体(1)的中心对称线之间的夹角为15°～60°。
4.根据权利要求2所述的前缘可变形的垂直轴风力机叶片，其特征在于，所述整流结构(22)为柔性膜片，且柔性膜片与气囊结构(2)、叶片主体(1)共同形成密闭空间，且叶片主体(1)上还开设有与密闭空间连通的通孔。
5.根据权利要求1所述的前缘可变形的垂直轴风力机叶片，其特征在于，所述供气系统(3)包括固定安装在叶片主体(1)内的空气泵(31)，且空气泵(31)的出口与两个充气囊(21)之间均连接有通风管路(32)。
6.根据权利要求5所述的前缘可变形的垂直轴风力机叶片，其特征在于，所述空气泵(31)为三相气泵。
7.根据权利要求5所述的前缘可变形的垂直轴风力机叶片，其特征在于，所述通风管路(32)上安装有开关阀。
8.一种垂直轴风力机，其特征在于，包括如权利要求1至7中任意一项所述的叶片，还包括旋转轴和安装在旋转轴上的支架，所述叶片安装在支架上，且支架上还嵌装有迎角传感器。
9.根据权利要求8所述的垂直轴风力机，其特征在于，所述旋转轴内还安装有供电电源和控制器，控制器的输入端与迎角传感器的输出端电连接，且控制器的输出端与供气系统(3)电连接。
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