CN216381693U - 一种可扇形展开增阻式水平轴风力机叶片 - Google Patents

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盛钰淞
李国文
刘婷婷
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Abstract

一种可扇形展开增阻式水平轴风力机叶片，包括前缘侧叶片和尾缘侧叶片，前缘侧叶片与尾缘侧叶片在叶根处通过转轴相铰接，前缘侧叶片与尾缘侧叶片闭合形成完整叶片；在前缘侧叶片与尾缘侧叶片断面处的外表面之间设有扇形折叠薄膜；在前缘侧叶片的叶尖处内部固定安装有叶片开合驱动电机，叶片开合驱动电机的电机轴与前缘侧叶片的弦长方向相平行，叶片开合驱动电机的电机轴朝向尾缘侧叶片；叶片开合驱动电机的电机轴通过联轴器同轴固定连接有一根丝杠；在丝杠上套装有丝母，丝母位于尾缘侧叶片内部，在丝母两侧的尾缘侧叶片上开设有导向滑槽，导向滑槽与尾缘侧叶片的展长方向相平行；在导向滑槽内设置有导向滚轮，导向滚轮的中心轮轴与丝母固定连接。

Description

一种可扇形展开增阻式水平轴风力机叶片
技术领域
本实用新型属于风力发电技术领域，特别是涉及一种可扇形展开增阻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。
实用新型内容
针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种可扇形展开增阻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叶片本身结构来实现流动控制，本实用新型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实用新型的叶片后，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，本实用新型采用如下技术方案：一种可扇形展开增阻式水平轴风力机叶片，包括前缘侧叶片和尾缘侧叶片，所述前缘侧叶片与尾缘侧叶片在叶根处通过转轴相铰接，前缘侧叶片与尾缘侧叶片闭合形成完整叶片；在所述前缘侧叶片与尾缘侧叶片断面处的外表面之间设置有扇形折叠薄膜；在所述前缘侧叶片的叶尖处内部固定安装有叶片开合驱动电机，叶片开合驱动电机的电机轴与前缘侧叶片的弦长方向相平行，叶片开合驱动电机的电机轴朝向尾缘侧叶片；所述叶片开合驱动电机的电机轴通过联轴器同轴固定连接有一根丝杠；在所述丝杠上套装有丝母，丝母位于尾缘侧叶片内部，在丝母两侧的尾缘侧叶片上开设有导向滑槽，导向滑槽与尾缘侧叶片的展长方向相平行；在所述导向滑槽内设置有导向滚轮，导向滚轮的中心轮轴与丝母固定连接。
本实用新型的有益效果：
本实用新型的可扇形展开增阻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叶片本身结构来实现流动控制，本实用新型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实用新型的叶片后，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为本实用新型的一种可扇形展开增阻式水平轴风力机叶片(叶片处于闭合状态)的结构示意图；
图2为图1中A-A剖视图；
图3为图2中I部放大图；
图4为本实用新型的一种可扇形展开增阻式水平轴风力机叶片(叶片处于展开状态)的结构示意图；
图5为图4中B-B剖视图；
图中，1—前缘侧叶片，2—尾缘侧叶片，3—转轴，4—扇形折叠薄膜，5—叶片开合驱动电机，6—联轴器，7—丝杠，8—丝母，9—导向滑槽，10—导向滚轮，11—中心轮轴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的详细说明。
如图1～5所示，一种可扇形展开增阻式水平轴风力机叶片，包括前缘侧叶片1和尾缘侧叶片2，所述前缘侧叶片1与尾缘侧叶片2在叶根处通过转轴3相铰接，前缘侧叶片1与尾缘侧叶片2闭合形成完整叶片；在所述前缘侧叶片1与尾缘侧叶片2断面处的外表面之间设置有扇形折叠薄膜4；在所述前缘侧叶片1的叶尖处内部固定安装有叶片开合驱动电机5，叶片开合驱动电机5的电机轴与前缘侧叶片1的弦长方向相平行，叶片开合驱动电机5的电机轴朝向尾缘侧叶片2；所述叶片开合驱动电机5的电机轴通过联轴器6同轴固定连接有一根丝杠7；在所述丝杠7上套装有丝母8，丝母8位于尾缘侧叶片2内部，在丝母8两侧的尾缘侧叶片2上开设有导向滑槽9，导向滑槽9与尾缘侧叶片2的展长方向相平行；在所述导向滑槽9内设置有导向滚轮10，导向滚轮10的中心轮轴11与丝母8固定连接。
下面结合附图说明本实用新型的一次使用过程：
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实用新型进行改造，本实用新型叶片所用的扇形折叠薄膜4的厚度为0.2mm～0.5mm，材质为弹性塑料。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实用新型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，对安装有本实用新型叶片的水平轴风力试验机进行试验。在试验过程中，本实用新型的叶片工作时，在风机启动前，先控制叶片开合驱动电机5的电机轴正向转动，进而带动丝杠7正向转动，正向转动的丝杠7会将旋转运动转换为丝母8的直线运动，由于丝母8与导向滚轮10的中心轮轴11固定连接，同时导向滚轮10位于导向滑槽9内，因此丝母8在沿丝杠7向外移动的过程中，会通过中心轮轴11及导向滑槽9内的导向滚轮10带动尾缘侧叶片2绕着转轴3旋转，而导向滚轮10也会沿着导向滑槽9进行随动，进而使前缘侧叶片1和尾缘侧叶片2形成V型，同时带动扇形折叠薄膜4逐渐扇形展开，直到前缘侧叶片1与尾缘侧叶片2之间的V角达到设定值。此时本实用新型叶片相当于增大了整体叶片在叶尖处的弦长，同时也增大了整体叶片的受力面积，进而使展开后的叶片获得更大的启动力矩，最终提高了水平轴风力试验机的低速启动性能。
当叶片启动后，控制叶片开合驱动电机5的电机轴反向转动，进而带动丝杠7反向转动，反向转动的丝杠7会将旋转运动转换为丝母8的直线运动，丝母8在沿丝杠7向内移动的过程中，会通过中心轮轴11及导向滑槽9内的导向滚轮10带动尾缘侧叶片2绕着转轴3旋转，而导向滚轮10也会沿着导向滑槽9进行随动，进而使V型状态的前缘侧叶片1和尾缘侧叶片2逐渐闭合，同时带动扇形折叠薄膜4逐渐折叠在一起，直到前缘侧叶片1与尾缘侧叶片2完全闭合并恢复标准翼型，同时使本实用新型叶片恢复原本的气动外形，有效保证本实用新型叶片的气动性能，由于水平轴风力试验机的低速启动性能得到提高，因此使水平轴风力试验机的风能利用率也进一步得到提高。
实施例中的方案并非用以限制本实用新型的专利保护范围，凡未脱离本实用新型所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (1)

1.一种可扇形展开增阻式水平轴风力机叶片，其特征在于：包括前缘侧叶片和尾缘侧叶片，所述前缘侧叶片与尾缘侧叶片在叶根处通过转轴相铰接，前缘侧叶片与尾缘侧叶片闭合形成完整叶片；在所述前缘侧叶片与尾缘侧叶片断面处的外表面之间设置有扇形折叠薄膜；在所述前缘侧叶片的叶尖处内部固定安装有叶片开合驱动电机，叶片开合驱动电机的电机轴与前缘侧叶片的弦长方向相平行，叶片开合驱动电机的电机轴朝向尾缘侧叶片；所述叶片开合驱动电机的电机轴通过联轴器同轴固定连接有一根丝杠；在所述丝杠上套装有丝母，丝母位于尾缘侧叶片内部，在丝母两侧的尾缘侧叶片上开设有导向滑槽，导向滑槽与尾缘侧叶片的展长方向相平行；在所述导向滑槽内设置有导向滚轮，导向滚轮的中心轮轴与丝母固定连接。
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