CN111749844A - 一种具有可变后缘的垂直轴风力机叶片及垂直轴风力机 - Google Patents

一种具有可变后缘的垂直轴风力机叶片及垂直轴风力机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有可变后缘的垂直轴风力机叶片及垂直轴风力机,涉及垂直轴风力机技术领域，包括叶片主体和铰接在叶片主体上的可变后缘，叶片主体上还安装有驱动可变后缘摆动的驱动电机，叶片支架上安装有迎角传感器实时测量叶片附近风向。本发明通过迎角传感器获得的风向信息，主动调节可变后缘摆动，使叶片形状自适应发生变化，相比固定的叶片具有抑制动态失速的作用，能够减少结构震动、噪声，使得垂直轴风力机平稳运行；同时，本发明可在垂直轴风力机在静止状态下，且风场达到发电条件时，通过调节可变后缘，能够帮助风力机自启动，而无需额外的辅助装置。

Description

一种具有可变后缘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，涉及一种具有可变后缘的垂直轴风力机叶片及垂直轴风力机。
背景技术
垂直轴风力机是目前风能领域研究的热点，与水平轴风力机相比，垂直轴风力机具有对风向要求不高、发电机组维护性好、噪音低等优点。垂直轴风力机在运行时，叶片绕与风向垂直的轴线做周期运动，且叶片在转动过程中，叶片迎角呈非定常周期变化，其中，叶片迎角甚至在接近±90°的范围内交替变化；而现有带弯度的翼型叶片只能在特定的来流条件下产生高升力，且来流条件的动态改变，使得带弯度的翼型叶片不能在整个旋转周期内产生较好的气动收益，因此，现有的垂直轴风力机叶片一般采用对称翼型，如NACA0015(相对厚度为15％的对称翼型)。
另外，由于垂直轴风力机叶片攻角周期变化，绕垂直轴风力机叶片的流动发生动态失速，而动态失速现象将引起气动性能的损失，并导致垂直轴风力机出现结构振动，带来额外噪声，在振动严重时，甚至会引起结构破坏；同时，现有的垂直轴风力机不能自启动，即从静止状态到运行状态必须有外力辅助。
因此，如何提高垂直轴风力机叶片在整个旋转周期内的气动性能、改善动态失速是垂直轴风力机叶片设计的关键技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有可变后缘的垂直轴风力机叶片及垂直轴风力机，能根据来流条件主动地改变叶片形状，充分发掘叶片捕获风能的能力，抑制动态失速现象，提高风力机自启动能力，最终提升风力机的运行效率和运行品质。
为实现本发明目的，采用的技术方案为：一种具有可变后缘的垂直轴风力机叶片，包括叶片主体和铰接在叶片主体上的可变后缘，且叶片主体上还安装有驱动可变后缘摆动的驱动电机。
进一步的，所述叶片主体的尾部安装有可转动的转轴，且可变后缘固定安装在转轴上；所述驱动电机的输出端与转轴传动连接。
进一步的，所述驱动电机的输出端固定安装有蜗杆，且转轴上固定安装有与蜗杆啮合的传动齿轮。
进一步的，所述垂直轴风力机叶片为对称翼型。
进一步的，所述可变后缘长度为垂直轴风力机叶片整体长度的20％～40％。
一种垂直轴风力机，包括旋转轴和多个支架，且多个支架上均安装有上述的垂直轴风力机叶片。
进一步的，还包括控制器，所述支架上还安装有迎角传感器，且迎角传感器的输出端与控制器的输入端电连接，且控制器的输出端与驱动电机的输出端电连接。
本发明的有益效果是,
1、本发明可通过调节可变后缘摆动，使叶片形状根据风向自适应地发生变化，相比固定的叶片具有抑制动态失速的作用，能够减少结构震动、噪声，使得垂直轴风力机平稳运行；同时，本发明可在垂直轴风力机在静止状态下，且风场达到发电条件时，通过调节可变后缘，能够帮助风力机自启动，而无需额外的辅助装置。
2、本发明利用迎角传感器实时获取叶片的迎角，从而可以根据旋转的位置以及风的方向动态改变叶片的气动外形，使得叶片在整个旋转周期内都能够达到较高的升力系数，提高了风力机捕获风能的效率。
附图说明
图1是本发明提供的实施例1的结构示意图；
图2是本发明提供的实施例2的结构示意图；
图3是本发明提供的实施例2中的可变后缘的控制逻辑示意图；
图4是本发明提供的实施例2中可变后缘随风向变化示意图1；
图5是本发明提供的实施例2中可变后缘随风向变化示意图2。
附图中标记及相应的零部件名称：
1、叶片主体，2、可变后缘，3、支架，4、旋转轴，5、迎角传感器，6、驱动电机，7、蜗杆，8、传动齿轮，9、控制器。
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。
实施例1
如图1所示，本实施提供的一种具有可变后缘的垂直轴风力机叶片，包括叶片主体1和铰接在叶片主体1上的可变后缘2，当叶片主体1的中心轴线与可变后缘2的中心轴线在衔接时，叶片主体1表面与可变后缘2表面衔接形成表面光滑的叶片整体；所述叶片主体1和可变后缘2均为内部空心的封闭式结构，且用于驱动可变后缘2摆动的驱动电机6固定安装在叶片主体1内。
所述叶片主体1后端呈内凹状，可变后缘2前端呈球面状，且可变后缘2的前端安装在叶片主体1后端内，使可变后缘2在一定角度内摆动时，叶片主体1表面与可变后缘2表面均呈流线衔接，有效降低可变后缘2前端的阻力，从而降低风力的损耗。
通过调节可变后缘2摆动角度，使叶片形状发生变化，相比固定的叶片具有抑制动态失速的作用，能够减少结构震动、噪声，使得垂直轴风力机平稳运行；同时，本发明可在垂直轴风力机在静止状态下，且风场达到发电条件时，通过调节可变后缘2，能够帮助风力机自启动，而无需额外的辅助装置。
所述叶片主体1的尾部安装有可转动的转轴10，转轴10的两端均通过轴承座转动支承，且可变后缘2固定安装在转轴10上，使转轴10转动时，可变后缘2可随转轴10同步转动；所述驱动电机6的输出端还安装有减速器，减速器与转轴10传动连接。
所述减速器的输出轴上通过联轴器固定安装有蜗杆7，且转轴10上固定安装有与蜗杆7啮合的传动齿轮8，通过驱动电机6驱动减速器转动，减速器带动蜗杆7转动，通过蜗杆7与传动齿轮8的啮合，使传动齿轮8转动，而传动齿轮8在转动的同时，带动转轴10同步转动，从而实现可变后缘2的摆动。
所述驱动电机6为正反转电机，为了可对可变后缘2的摆动角度进行实时监控，还可在传动齿轮8上安装一个角度传感器，例如，光电编码器等，通过角度传感器检测传动齿轮8的转动角度，从而得出可变后缘2的摆动角度。
本发明中的驱动电机6还可采用直线驱动元件替代，例如，气缸、液压缸、电子伸缩杆等，当驱动电机6为直线驱动元件时，蜗杆7可采用齿条代替。
所述垂直轴风力机叶片为对称翼型，使是垂直轴风力机叶片在整个发电过程中，垂直轴风力机叶片两个表面的流速分配更加均匀；所述垂直轴风力机叶片的相对厚度为12％～20％。所述可变后缘2长度为垂直轴风力机叶片整体长度的20％～40％，优选的，可变后缘2长度为垂直轴风力机叶片整体长度的30％。
当需要使可变后缘2摆动时，通过驱动电机6启动，驱动电机6带动减速器转动，减速器带动蜗杆7转动，蜗杆7带动传动齿轮8转动，传动齿轮8转动同时带动可变后缘2同步转动，实现可变后缘2的摆动。
现有的垂直轴风力机叶片在做周期旋转运动，垂直轴风力机叶片局部风向也周期变化，绕垂直轴风力机叶片的流动也呈非定常流动，使垂直轴风力机叶片上的升力形成一个迟滞环，而非定常的平均升力低于静态的升力，其中，非定常的升力的变化将引起结构振动，带来额外噪声，严重时会引起的结构破坏。本发明提供的垂直轴风力机叶片在自适应地根据风向变化时，升力的迟滞效应将大大减缓，平均升力系数提高，从而抑制了动态失速现象，有利于提高风力机运行品质。
现有的垂直轴风力机不能够自启动，即不能在没有外力的帮助下进入周期旋转的工作状态，以3片叶片的垂直轴风力机为例，当风吹来且风力机静止时，总有叶片处于不利的工作状态，产生与旋转方向相反的力矩，导致风力机不能启动。本发明中通过垂直轴风力机叶片自适应地改变形状，垂直轴风力机叶片上将始终产生有利的升力，能够帮助风力机进入工作状态。
实施例2
如图2所示，本实施例2在实施例1的基础上提供了一种垂直轴风力机，包括旋转轴4和多个支架3，多个支架3沿旋转轴4的圆周方向均匀间隔排布，且多个支架3的延伸端均安装有实施例1中的垂直轴风力机叶片，具体的，具有可变后缘2的垂直轴风力机叶片的叶片主体1固定安装在支架3的延伸端。
如图3所示，垂直轴风力机还包括控制器9，控制器9可嵌装在旋转轴4内或与支架3内；所述支架3上还安装有迎角传感器5，具体的，迎角传感器5安装在支架3靠近叶片主体1的一侧，迎角传感器5主要用于实时检测得到叶片主体1附近的风向，并将测得的风向实时反馈给控制器9，控制器9在接到迎角传感器5反馈的风向后，并根据可变后缘2相对叶片主体1角度后，分析计算出特定的可变后缘2偏角，并在得到可变后缘2的偏角数值后，控制器9向驱动电机6发出指令，驱动电机6在接收到驱动指令后，驱动电机6转动一定角度，而驱动电机6在转动时带动蜗杆7转动，蜗杆7带动传动齿轮8转动，至此实现了可变后缘2根据叶片主体1附近的风向进行自动地变形运动。
当传动齿轮8上安装有角度传感器时，角度传感器的输出端与控制器9的输入端电连接，使角度传感器能将检测的可变后缘2的摆动角度实时传递给控制器9，使监控更加方便。
本发明中控制器9发送给驱动电机6的信号为正反馈信号，驱动电机6根据接收的正反馈信号实现正转或反转，驱动电机6转动带动蜗杆7旋转，蜗杆7与传动齿轮8啮合，从而使传动齿轮8正转或反转，从而使可变后缘2实现相对的摆动；所述传动齿轮8的转动量作为负反馈信号输入控制器9，当传动齿轮8转动至指定角度后，驱动电机6能够精确地停止运动，保证驱动电机6的控制精度。
当垂直轴风力机叶片处于运行状态时，垂直轴风力机叶片正在做旋转运动，迎角传感器5检测到的风速是其旋转的线速度与当地风的方向的合成速度，使迎角传感器5测得的风速近似叶片主体1周围的风向。
如图4所示，当风向为斜向上，为使得垂直轴风力机叶片产生更高的升力，可变后缘2向着靠近旋转轴4的方向变形，此时靠近旋转轴4一侧的垂直轴风力机叶片表面产生正压、远离旋转轴4一侧的垂直轴风力机叶片表面产生负压，由此产生了垂直于风向的、指向外侧的升力。
如图5所示，当叶片主体1的局部风向斜向下时，为了产生更有利的升力，可变后缘2向着远离旋转轴4的方向旋转，此时靠近旋转轴4一侧的叶片表面产生负压、远离旋转轴4一侧的叶片表面产生正压，由此产生了垂直于风向的、指向内侧的升力。由于垂直轴风力机上的各个垂直轴风力机叶片独立控制，根据局部风向的不同而自适应地产生不同的变形，每个垂直轴风力机叶片都始终保持在高效工作状态，本发明相比于采用不可变形的对称叶片，可根据风向自动调节位置，无论风向如何变化，总是能够产生有利的升力，从而能够提高风能利用效率。
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 (7)

1.一种具有可变后缘的垂直轴风力机叶片，其特征在于，包括叶片主体(1)和铰接在叶片主体(1)上的可变后缘(2)，且叶片主体(1)上还安装有驱动可变后缘(2)摆动的驱动电机(6)。
2.根据权利要求1所述的具有可变后缘的垂直轴风力机叶片，其特征在于，所述叶片主体(1)的尾部安装有可转动的转轴(10)，且可变后缘(2)固定安装在转轴(10)上；所述驱动电机(6)的输出端与转轴(10)传动连接。
3.根据权利要求2所述的具有可变后缘的垂直轴风力机叶片，其特征在于，所述驱动电机(6)的输出端固定安装有蜗杆(7)，且转轴(10)上固定安装有与蜗杆(7)啮合的传动齿轮(8)。
4.根据权利要求1所述的具有可变后缘的垂直轴风力机叶片，其特征在于，所述垂直轴风力机叶片为对称翼型。
5.根据权利要求1所述的具有可变后缘的垂直轴风力机叶片，其特征在于，所述可变后缘(2)长度为垂直轴风力机叶片整体长度的20％～40％。
6.一种垂直轴风力机，包括旋转轴(4)和多个支架(3)，且多个支架(3)上均安装有如权利要求1至5中任意一项所述的垂直轴风力机叶片。
7.根据权利要求6所述的具有可变后缘的垂直轴风力机叶片及垂直轴风力机，其特征在于，还包括控制器(9)，所述支架(3)上还安装有迎角传感器(5)，且迎角传感器(5)的输出端与控制器(9)的输入端电连接，且控制器(9)的输出端与驱动电机(6)的输出端电连接。
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