專利名稱：一種風(fēng)力機(jī)葉片可動小翼裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力機(jī)葉片可動葉尖小翼，屬風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
風(fēng)力機(jī)葉片氣動效率的高低決定了一款風(fēng)力機(jī)在市場上的優(yōu)劣，所以如何增加葉片氣動效率是風(fēng)力機(jī)設(shè)計的關(guān)鍵。另外一方面，隨著風(fēng)速增加，葉片所受到的氣動載荷也隨之增加，從而減少風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的使用壽命，因此，高風(fēng)速進(jìn)行降載也是重點。目前市場主流的大型風(fēng)力機(jī)葉片在小風(fēng)速下氣動效率低，捕獲能量少，不能充分利用風(fēng)能資源；而在大風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)葉片所受到的氣動載荷則過大，提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，增加了葉片的成本；當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速附近時，主流風(fēng)力機(jī)通過葉片變槳來維持發(fā)電效率以及控制氣動載荷，但是整個葉片變槳距角很難穩(wěn)定精確控制發(fā)電功率以及氣動載荷，從而需要增加更精確控制的裝置。有不少專利是通過流動控制手段來提高葉片氣動性能，如加襟翼、前緣帶旋轉(zhuǎn)圓柱體、射流控制等。對于現(xiàn)在已有的風(fēng)力機(jī)葉片來講，葉片的主要氣動分布載荷與捕獲功率均集中于葉片葉尖附近區(qū)域，因此葉尖附近區(qū)域是提高葉片氣動效率、降低大風(fēng)速下葉片氣動載荷的關(guān)鍵部位，因此在葉尖增加小翼對控制整個葉片的氣動載荷與捕獲功率將會有顯著的效果。為了針對前面提到的風(fēng)力機(jī)遇到的三種風(fēng)速情況，將小翼設(shè)計為可控制可動的來分別應(yīng)對。在低風(fēng)速，小翼與風(fēng)輪平面在同一平面以保證葉片的氣動效率不會降低；在額定風(fēng)速附近，通過對小翼轉(zhuǎn)動角度的控制，達(dá)到精確穩(wěn)定控制葉片發(fā)電功率與氣動載荷的目的，使之光滑過渡；在高風(fēng)速下，小翼轉(zhuǎn)動到90°，在保證發(fā)電功率不變的前提下，降低葉片的氣動載荷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述的不足提供了一種風(fēng)力機(jī)葉片可動小翼裝置。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明所述的一種風(fēng)力機(jī)葉片可動小翼裝置，包括風(fēng)力機(jī)葉片，其特征在于包括可動小翼，舵機(jī)，傳動桿，助力器；所述的風(fēng)力機(jī)葉片的頂端連接可動小翼；舵機(jī)與傳動桿連接，傳動桿連接助力器，助力器驅(qū)動可動小翼轉(zhuǎn)動。本發(fā)明所述的風(fēng)力機(jī)葉片可動小翼裝置，所述的可動小翼連接端的截面形狀與風(fēng)力機(jī)葉片頂端的截面形狀相匹配。本發(fā)明所述的風(fēng)力機(jī)葉片可動小翼裝置，所述的可動小翼與風(fēng)力機(jī)葉片的連接處采用具有彈塑性的蒙皮材料包裹。本發(fā)明所述的風(fēng)力機(jī)葉片可動小翼裝置，所述的可動小翼的轉(zhuǎn)動角度為O。-90。。本發(fā)明所述的風(fēng)力機(jī)葉片可動小翼裝置，所述的可動小翼的徑向長度為風(fēng)力機(jī)葉片長度的2%-3%。
有益效果
本發(fā)明的目的是提供一種風(fēng)力機(jī)葉片可動小翼裝置，對葉尖部位的流動進(jìn)行控制，在保持低風(fēng)速下的葉片氣動效率的前提下，同時減少高風(fēng)速下的氣動載荷，以及穩(wěn)定精確控制額定風(fēng)速附近的氣動載荷和發(fā)電功率，使葉片所受的氣動載荷以及整體發(fā)電功率能夠平滑過渡。本發(fā)明應(yīng)用范圍較廣，可基于目前已有的比較成熟的商業(yè)葉片，只需要對已有葉片的葉尖部位進(jìn)行一定的改裝，而不會改變已有葉片的整體氣動布局，即可大幅度的提高已有葉片的全風(fēng)速下的性能。


圖1為本發(fā)明的主葉片和可動小翼主視 圖2為本發(fā)明的主葉片和可動小翼俯視 圖3為本發(fā)明可動葉尖小翼的_■維翼型 圖4為本發(fā)明可動葉尖小翼沿展向的弦長分布 圖5為本發(fā)明可動葉尖小翼執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意 圖6小翼轉(zhuǎn)動角度0°與30°時，葉尖區(qū)域推力的比較示意 圖7小翼轉(zhuǎn)動角度0°與30°時，葉尖區(qū)域切向力的比較示意 圖中I是葉尖小翼，2是主葉片，3是上翼面,4是下翼面，5是蒙皮，6是航機(jī)，7是傳動桿，8是助力器，9是小翼。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明
如圖所示一種風(fēng)力機(jī)葉片可動小翼裝置，在一個完整常規(guī)葉片基礎(chǔ)上，在葉尖截取適當(dāng)長度安裝一個可動小翼?？蓜有∫淼牡谝粋€截面翼型應(yīng)該與主葉片最后翼型相同，可進(jìn)行主動控制小翼角度變化，可動葉尖小翼除了小翼部分還包括其執(zhí)行機(jī)構(gòu)和連接主葉片處外表蒙皮，執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過舵機(jī)來實現(xiàn)小翼旋轉(zhuǎn)，圖中6為接收主動控制信號后產(chǎn)生相應(yīng)轉(zhuǎn)動的舵機(jī)；圖中7為傳動桿進(jìn)行位移變化；再通過圖中8助力器來直接實現(xiàn)小翼的轉(zhuǎn)動?？蓜有∫磉B接主葉片處外表采用具有彈塑性的蒙皮材料包裹，能夠隨著小翼角度的變化而變化。其徑向長度取主葉片長度的2%到3%?？蓜有∫淼囊硇蜑橹魅~片的最后截面的翼型，并且扭角不變，通過優(yōu)化小翼的功率系數(shù)獲得最合理的弦長分布。可以從0°到90°范圍變化，而且角度向著吸力面變化。吸力面蒙皮是具有可伸縮的彈塑性材料，隨著角度的改變而伸縮。小翼的控制策略方法實施如下
風(fēng)力機(jī)當(dāng)運行在低風(fēng)速區(qū)域時，可動小翼不改變角度，與主葉片成0° ;當(dāng)運行于過渡風(fēng)速區(qū)域時，這時通過主動控制給執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號，通過傳動桿和助力器對小翼呈現(xiàn)的角度實施相應(yīng)改變；當(dāng)風(fēng)力機(jī)運行高風(fēng)速時，可動小翼轉(zhuǎn)動到最大角度90°。在低風(fēng)速下，即額定風(fēng)速以下，可動小翼沿主葉片展向方向伸長，即與風(fēng)輪為O度夾角。該狀態(tài)下保證了主葉片在小風(fēng)速的情況下，氣動效率不會有所降低。在額定風(fēng)速附近，由于變槳控制對整個葉片的氣動載荷和發(fā)電功率控制不夠精確，而通過調(diào)節(jié)可動小翼的角度，可以很穩(wěn)定的精確控制整個葉片的氣動載荷，葉片的變槳控制使得發(fā)電功率曲線有個平緩的過渡。在高風(fēng)速下，即額定風(fēng)速以上，可動小翼轉(zhuǎn)動到90°。在該狀態(tài)中，首先可動小翼轉(zhuǎn)動以后，風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的迎風(fēng)面積就相對減少了，葉片整體所受的氣動載荷自然會有所降低，而且同時由于可動小翼對葉尖三維繞流效應(yīng)的抑制，增加了葉片的氣動效率，能夠保持葉片發(fā)電功率的基本不變。總的來說，通過可動小翼的作用，在保證葉片整體發(fā)電功率基本不變的前提下，降低了葉片所受的氣動載荷，這樣如果在保持原有葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不變的基礎(chǔ)上，葉片能夠承受的發(fā)電風(fēng)速范圍會增加，或者在保持發(fā)電風(fēng)速范圍不變的基礎(chǔ)上，可以降低葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。為了驗證可動小翼的作用，使用計算流體力學(xué)方法對可動小翼進(jìn)行了數(shù)值模擬。選取了 lOm/s這一典型風(fēng)速，小翼的轉(zhuǎn)動角度選取了 0°和30°。圖6和圖7分別為小翼轉(zhuǎn)動角度0°、30°狀態(tài)時，葉片葉尖區(qū)域的推力與切向力。其中推力為葉片受到來流方向的力，是主要的葉片氣動載荷，由圖6中可以看出在同一風(fēng)速下轉(zhuǎn)動角度30°的小翼抑制葉尖繞流效應(yīng)的作用顯著，推力明顯小于0°小翼的時候。而在圖7中，由于轉(zhuǎn)動角度30°時， 葉尖位置較0°時要略低，因此在葉片最葉尖的部位，轉(zhuǎn)動角度30°的切向力要小于0°的，但再往葉片內(nèi)部一點，由于對葉尖繞流效應(yīng)的抑制，轉(zhuǎn)動角度30°狀態(tài)下的切向力就大于0°的了，總的來說轉(zhuǎn)動角度0°與30°時，切向力基本能夠保持不變，而切向力正是推動葉片轉(zhuǎn)動的直接動力，直接影響著葉片的發(fā)電功率，切向力的不變說明了葉片的發(fā)電功率在小翼轉(zhuǎn)動角度0°與30°時基本保持了不變。為本發(fā)明一個實施例子整個葉片和可動小翼的形狀、可動小翼的執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及整個葉片性能分析圖。基于的原來葉片長度為41米，額定功率為1500KW。參照圖1和圖2，為主葉片和小翼工作狀態(tài)圖，小翼各截面的壓力中心連線與主葉片各截面的壓力中心連線的夾角定義為小翼的轉(zhuǎn)動角度α。在風(fēng)力機(jī)葉尖加小翼，當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)起來，就相當(dāng)于在葉尖外加了一個擴(kuò)散器，所以根據(jù)擴(kuò)散器理論風(fēng)力機(jī)葉尖加小翼對輸出功率起到的放大作用。為了對風(fēng)力機(jī)帶有葉尖小翼的模型進(jìn)行數(shù)值模擬計算，需根據(jù)葉片及小翼的幾何形狀對葉片進(jìn)行幾何建模。可動小翼在不同風(fēng)速下的狀態(tài)不同，在低風(fēng)速下，完全展開，與葉片夾角成0°，增大捕風(fēng)面積。在風(fēng)速較大的情況下，小翼與葉片平面間夾角逐漸增大，直至90° ,起到降低氣動載荷，以及精確控制功率輸出的作用。參照圖3和圖4，為可動小翼的翼型形狀以及弦長分布?？蓜有∫淼木唧w設(shè)計，改變弦長得出一系列小翼的模型，弦長在±5%之間變化。將這一系列小翼的幾何外形利用BEM理論進(jìn)行計算，得到功率系數(shù)仏最大的小翼即為最優(yōu)，由此確定可動小翼的幾何形狀。參照圖5，為可動葉尖小翼執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖。本發(fā)明的可動小翼可通過舵機(jī)來實現(xiàn)小翼旋轉(zhuǎn)，圖中6為接收控制信號后產(chǎn)生相應(yīng)轉(zhuǎn)動的舵機(jī)；圖中7為傳動桿；由于小翼在運行過程中偏轉(zhuǎn)力矩可能較大，而舵機(jī)不能直接帶動，因此需要圖中8助力器來直接實現(xiàn)小翼的轉(zhuǎn)動；圖中9為可動葉尖小翼的不意圖。參照圖6，為小翼轉(zhuǎn)動角度為0°與30°時葉片所受推力的比較。推力為葉片受到來流方向的力，是主要的葉片氣動載荷，可以看出在同一風(fēng)速下轉(zhuǎn)動角度30°的小翼抑制葉尖繞流效應(yīng)的作用顯著，推力明顯小于0°狀態(tài)時，說明小翼降低了葉片的氣動載荷。參照圖7，為小翼轉(zhuǎn)動角度為0°與30°時葉片所受切向力的比較。切向力是推動葉片轉(zhuǎn)動的直接動力，直接影響著葉片的發(fā)電功率。由于轉(zhuǎn)動角度30°時，葉尖位置較0°時要略低，因此在葉片最葉尖的部位，轉(zhuǎn)動角度30°狀態(tài)下的切向力要小于0°的，但再往葉片內(nèi)部一點，由于對葉尖繞流效應(yīng)的抑制，轉(zhuǎn)動角度30°狀態(tài)下的切向力就大于0°的了，總的來說夾角0°與30°時，切向力基本能夠保持不變，葉片的發(fā)電功率也基本不變。本發(fā)明應(yīng)用范圍較廣，可基于目前已有的比較成熟的商業(yè)葉片，只需要對已有葉片的葉尖部位進(jìn)行一定的改裝，而不會改變已有葉片的整體氣動布局，即可大幅度的提高已有葉片的全風(fēng)速下的性能。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力機(jī)葉片可動小翼裝置，包括風(fēng)力機(jī)葉片，其特征在于包括可動小翼，舵機(jī)，傳動桿，助力器；所述的風(fēng)力機(jī)葉片的頂端連接可動小翼；舵機(jī)與傳動桿連接，傳動桿連接助力器，助力器驅(qū)動可動小翼轉(zhuǎn)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力機(jī)葉片可動小翼裝置，其特征在于所述的可動小翼連接端的截面形狀與風(fēng)力機(jī)葉片頂端的截面形狀相匹配。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力機(jī)葉片可動小翼裝置，其特征在于所述的可動小翼與風(fēng)力機(jī)葉片的連接處采用具有彈塑性的蒙皮材料包裹。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力機(jī)葉片可動小翼裝置，其特征在于所述的可動小翼的轉(zhuǎn)動角度為O° -90°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力機(jī)葉片可動小翼裝置，其特征在于所述的可動小翼的徑向長度為風(fēng)力機(jī)葉片長度的2%-3%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力機(jī)葉片可動葉尖小翼，屬風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域。風(fēng)力機(jī)葉片的頂端連接可動小翼；舵機(jī)與傳動桿連接，傳動桿連接助力器，助力器驅(qū)動可動小翼轉(zhuǎn)動。本發(fā)明的目的是提供一種風(fēng)力機(jī)葉片可動小翼裝置，對葉尖部位的流動進(jìn)行控制，在保持低風(fēng)速下的葉片氣動效率的前提下，同時減少高風(fēng)速下的氣動載荷，以及穩(wěn)定精確控制額定風(fēng)速附近的氣動載荷和發(fā)電功率，使葉片所受的氣動載荷以及整體發(fā)電功率能夠平滑過渡。
文檔編號F03D11/00GK102996367SQ201210495808
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月29日
發(fā)明者曹九發(fā), 朱翀, 王同光, 許波峰, 沈翔 申請人:南京航空航天大學(xué)