一種風力機葉片可動小翼裝置的製作方法

2023-12-09 07:17:16

專利名稱：一種風力機葉片可動小翼裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種風力機葉片可動葉尖小翼，屬風力發電領域。
背景技術：
風力機葉片氣動效率的高低決定了一款風力機在市場上的優劣，所以如何增加葉片氣動效率是風力機設計的關鍵。另外一方面，隨著風速增加，葉片所受到的氣動載荷也隨之增加，從而減少風力機結構系統的使用壽命，因此，高風速進行降載也是重點。目前市場主流的大型風力機葉片在小風速下氣動效率低，捕獲能量少，不能充分利用風能資源；而在大風速下，風力機葉片所受到的氣動載荷則過大，提高了結構強度要求，增加了葉片的成本；當風速在額定風速附近時，主流風力機通過葉片變槳來維持發電效率以及控制氣動載荷，但是整個葉片變槳距角很難穩定精確控制發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、前緣帶旋轉圓柱體、射流控制等。對於現在已有的風力機葉片來講，葉片的主要氣動分布載荷與捕獲功率均集中於葉片葉尖附近區域，因此葉尖附近區域是提高葉片氣動效率、降低大風速下葉片氣動載荷的關鍵部位，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力機遇到的三種風速情況，將小翼設計為可控制可動的來分別應對。在低風速，小翼與風輪平面在同一平面以保證葉片的氣動效率不會降低；在額定風速附近，通過對小翼轉動角度的控制，達到精確穩定控制葉片發電功率與氣動載荷的目的，使之光滑過渡；在高風速下，小翼轉動到90°，在保證發電功率不變的前提下，降低葉片的氣動載荷。

發明內容
本發明針對上述的不足提供了一種風力機葉片可動小翼裝置。本發明採用如下技術方案
本發明所述的一種風力機葉片可動小翼裝置，包括風力機葉片，其特徵在於包括可動小翼，舵機，傳動杆，助力器；所述的風力機葉片的頂端連接可動小翼；舵機與傳動杆連接，傳動杆連接助力器，助力器驅動可動小翼轉動。本發明所述的風力機葉片可動小翼裝置，所述的可動小翼連接端的截面形狀與風力機葉片頂端的截面形狀相匹配。本發明所述的風力機葉片可動小翼裝置，所述的可動小翼與風力機葉片的連接處採用具有彈塑性的蒙皮材料包裹。本發明所述的風力機葉片可動小翼裝置，所述的可動小翼的轉動角度為O。-90。。本發明所述的風力機葉片可動小翼裝置，所述的可動小翼的徑向長度為風力機葉片長度的2%-3%。
有益效果
本發明的目的是提供一種風力機葉片可動小翼裝置，對葉尖部位的流動進行控制，在保持低風速下的葉片氣動效率的前提下，同時減少高風速下的氣動載荷，以及穩定精確控制額定風速附近的氣動載荷和發電功率，使葉片所受的氣動載荷以及整體發電功率能夠平滑過渡。本發明應用範圍較廣，可基於目前已有的比較成熟的商業葉片，只需要對已有葉片的葉尖部位進行一定的改裝，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速下的性能。


圖1為本發明的主葉片和可動小翼主視 圖2為本發明的主葉片和可動小翼俯視 圖3為本發明可動葉尖小翼的_■維翼型 圖4為本發明可動葉尖小翼沿展向的弦長分布 圖5為本發明可動葉尖小翼執行機構示意 圖6小翼轉動角度0°與30°時，葉尖區域推力的比較示意 圖7小翼轉動角度0°與30°時，葉尖區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，7是傳動杆，8是助力器，9是小翼。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進一步詳細說明
如圖所示一種風力機葉片可動小翼裝置，在一個完整常規葉片基礎上，在葉尖截取適當長度安裝一個可動小翼。可動小翼的第一個截面翼型應該與主葉片最後翼型相同，可進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行機構和連接主葉片處外表蒙皮，執行機構通過舵機來實現小翼旋轉，圖中6為接收主動控制信號後產生相應轉動的舵機；圖中7為傳動杆進行位移變化；再通過圖中8助力器來直接實現小翼的轉動。可動小翼連接主葉片處外表採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%。可動小翼的翼型為主葉片的最後截面的翼型，並且扭角不變，通過優化小翼的功率係數獲得最合理的弦長分布。可以從0°到90°範圍變化，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
風力機當運行在低風速區域時，可動小翼不改變角度，與主葉片成0° ;當運行於過渡風速區域時，這時通過主動控制給執行機構信號，通過傳動杆和助力器對小翼呈現的角度實施相應改變；當風力機運行高風速時，可動小翼轉動到最大角度90°。在低風速下，即額定風速以下，可動小翼沿主葉片展向方向伸長，即與風輪為O度夾角。該狀態下保證了主葉片在小風速的情況下，氣動效率不會有所降低。在額定風速附近，由於變槳控制對整個葉片的氣動載荷和發電功率控制不夠精確，而通過調節可動小翼的角度，可以很穩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電功率曲線有個平緩的過渡。在高風速下，即額定風速以上，可動小翼轉動到90°。在該狀態中，首先可動小翼轉動以後，風力機風輪的迎風面積就相對減少了，葉片整體所受的氣動載荷自然會有所降低，而且同時由於可動小翼對葉尖三維繞流效應的抑制，增加了葉片的氣動效率，能夠保持葉片發電功率的基本不變。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構強度不變的基礎上，葉片能夠承受的發電風速範圍會增加，或者在保持發電風速範圍不變的基礎上，可以降低葉片的結構強度要求。為了驗證可動小翼的作用，使用計算流體力學方法對可動小翼進行了數值模擬。選取了 lOm/s這一典型風速，小翼的轉動角度選取了 0°和30°。圖6和圖7分別為小翼轉動角度0°、30°狀態時，葉片葉尖區域的推力與切向力。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速下轉動角度30°的小翼抑制葉尖繞流效應的作用顯著，推力明顯小於0°小翼的時候。而在圖7中，由於轉動角度30°時， 葉尖位置較0°時要略低，因此在葉片最葉尖的部位，轉動角度30°的切向力要小於0°的，但再往葉片內部一點，由於對葉尖繞流效應的抑制，轉動角度30°狀態下的切向力就大於0°的了，總的來說轉動角度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動的直接動力，直接影響著葉片的發電功率，切向力的不變說明了葉片的發電功率在小翼轉動角度0°與30°時基本保持了不變。為本發明一個實施例子整個葉片和可動小翼的形狀、可動小翼的執行機構以及整個葉片性能分析圖。基於的原來葉片長度為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動角度α。在風力機葉尖加小翼，當風輪旋轉起來，就相當於在葉尖外加了一個擴散器，所以根據擴散器理論風力機葉尖加小翼對輸出功率起到的放大作用。為了對風力機帶有葉尖小翼的模型進行數值模擬計算，需根據葉片及小翼的幾何形狀對葉片進行幾何建模。可動小翼在不同風速下的狀態不同，在低風速下，完全展開，與葉片夾角成0°，增大捕風面積。在風速較大的情況下，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。可動小翼的具體設計，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理論進行計算，得到功率係數仏最大的小翼即為最優，由此確定可動小翼的幾何形狀。參照圖5，為可動葉尖小翼執行機構示意圖。本發明的可動小翼可通過舵機來實現小翼旋轉，圖中6為接收控制信號後產生相應轉動的舵機；圖中7為傳動杆；由於小翼在運行過程中偏轉力矩可能較大，而舵機不能直接帶動，因此需要圖中8助力器來直接實現小翼的轉動；圖中9為可動葉尖小翼的不意圖。參照圖6，為小翼轉動角度為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，可以看出在同一風速下轉動角度30°的小翼抑制葉尖繞流效應的作用顯著，推力明顯小於0°狀態時，說明小翼降低了葉片的氣動載荷。參照圖7，為小翼轉動角度為0°與30°時葉片所受切向力的比較。切向力是推動葉片轉動的直接動力，直接影響著葉片的發電功率。由於轉動角度30°時，葉尖位置較0°時要略低，因此在葉片最葉尖的部位，轉動角度30°狀態下的切向力要小於0°的，但再往葉片內部一點，由於對葉尖繞流效應的抑制，轉動角度30°狀態下的切向力就大於0°的了，總的來說夾角0°與30°時，切向力基本能夠保持不變，葉片的發電功率也基本不變。本發明應用範圍較廣，可基於目前已有的比較成熟的商業葉片，只需要對已有葉片的葉尖部位進行一定的改裝，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速下的性能。
權利要求
1.一種風力機葉片可動小翼裝置，包括風力機葉片，其特徵在於包括可動小翼，舵機，傳動杆，助力器；所述的風力機葉片的頂端連接可動小翼；舵機與傳動杆連接，傳動杆連接助力器，助力器驅動可動小翼轉動。
2.根據權利要求1所述的風力機葉片可動小翼裝置，其特徵在於所述的可動小翼連接端的截面形狀與風力機葉片頂端的截面形狀相匹配。
3.根據權利要求1所述的風力機葉片可動小翼裝置，其特徵在於所述的可動小翼與風力機葉片的連接處採用具有彈塑性的蒙皮材料包裹。
4.根據權利要求1所述的風力機葉片可動小翼裝置，其特徵在於所述的可動小翼的轉動角度為O° -90°。
5.根據權利要求1所述的風力機葉片可動小翼裝置，其特徵在於所述的可動小翼的徑向長度為風力機葉片長度的2%-3%。
全文摘要
本發明涉及一種風力機葉片可動葉尖小翼，屬風力發電領域。風力機葉片的頂端連接可動小翼；舵機與傳動杆連接，傳動杆連接助力器，助力器驅動可動小翼轉動。本發明的目的是提供一種風力機葉片可動小翼裝置，對葉尖部位的流動進行控制，在保持低風速下的葉片氣動效率的前提下，同時減少高風速下的氣動載荷，以及穩定精確控制額定風速附近的氣動載荷和發電功率，使葉片所受的氣動載荷以及整體發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 優先權日2012年11月29日
發明者曹九發, 朱翀, 王同光, 許波峰, 沈翔 申請人:南京航空航天大學