垂直軸風(fēng)力機(jī)自適應(yīng)柔性葉片的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種垂直軸風(fēng)力機(jī)自適應(yīng)柔性葉片，葉片表面布置柔性氣動(dòng)彈片，用于自適應(yīng)地調(diào)節(jié)葉片周圍的流態(tài)，抑制與減緩葉片在失速狀態(tài)時(shí)流動(dòng)分離與渦脫落，同時(shí)兼顧提高風(fēng)力機(jī)自啟動(dòng)能力。柔性氣動(dòng)彈片沿葉片高度排列，每排柔性氣動(dòng)彈片沿葉片表面均布。所述柔性氣動(dòng)彈片的根部與葉片表面黏合在一起。本發(fā)明通過在葉片表面布置一系列類似鳥類羽毛的柔性氣動(dòng)彈片，葉片在不同攻角時(shí)，氣動(dòng)彈片可根據(jù)流態(tài)自適應(yīng)地調(diào)整形態(tài)，宏觀上呈現(xiàn)出柔性的葉片，該葉片不僅能在葉片處于失速狀態(tài)時(shí)減緩大分離渦與渦脫落，當(dāng)流體來自于葉片后方時(shí)亦可提供較大的阻力以幫助風(fēng)力機(jī)自啟動(dòng)。
【專利說明】
垂直軸風(fēng)力機(jī)自適應(yīng)柔性葉片
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉片，尤其是一種自適應(yīng)柔性葉片。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)力機(jī)主要分為水平軸和垂直軸兩類，垂直軸風(fēng)力機(jī)又分為阻力型和升力型。升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)不需要復(fù)雜的調(diào)向裝置即可獲取任意方向的風(fēng)能，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，在風(fēng)力機(jī)發(fā)電領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用。
[0003]現(xiàn)有垂直軸風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行中仍面臨一些問題:一方面，葉片在自啟動(dòng)或低速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中攻角周期性大幅變化，常處于較大失速狀態(tài)，葉片為風(fēng)力機(jī)提供轉(zhuǎn)矩較小，不僅影響風(fēng)力機(jī)自啟動(dòng)，也影響風(fēng)力機(jī)對(duì)風(fēng)能的獲取;另一方面，處于失速狀態(tài)的葉片引發(fā)較強(qiáng)的渦脫落尾跡，影響下風(fēng)區(qū)葉片/風(fēng)力機(jī)獲取風(fēng)能，同時(shí)周期性的渦脫落也造成了較強(qiáng)的交變載荷，影響風(fēng)力機(jī)性能。因此，抑制或減緩葉片由于動(dòng)態(tài)失速與渦脫落對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)造成的不良影響是提高風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)效率、降低載荷波動(dòng)的重要途徑。
[0004]鑒于此，申請(qǐng)?zhí)枮?01110106235.5，名稱為“葉片傾角可調(diào)節(jié)的垂直軸風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子”的發(fā)明專利將葉片通過桿件與塔架軸上的偏心輪連接，使得葉片在不同方位處具有合適的安裝角，失速減小，一定程度上為風(fēng)力機(jī)自啟動(dòng)提供了較大的轉(zhuǎn)矩。另一申請(qǐng)?zhí)枮?01010503422.2的專利通過較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了葉片安裝角隨風(fēng)向和風(fēng)速變化的垂直軸風(fēng)力機(jī)，能夠根據(jù)風(fēng)速變化改變?nèi)~片安裝角，使風(fēng)力機(jī)功率輸出保持在額定功率值附近。調(diào)整葉片在不同方位的安裝角對(duì)于提高風(fēng)力機(jī)自啟動(dòng)性能與防止風(fēng)力機(jī)過載具有一定的效果，但一定程度上影響了風(fēng)力機(jī)在額定工況與低轉(zhuǎn)速時(shí)對(duì)風(fēng)能的獲取，同時(shí)對(duì)常規(guī)工況時(shí)的葉片動(dòng)態(tài)失速與渦脫落現(xiàn)象抑制效果不佳。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)或控制系統(tǒng)亦會(huì)降低垂直軸風(fēng)力機(jī)的可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出一種垂直軸風(fēng)力機(jī)自適應(yīng)柔性葉片，通過在葉片表面布置一系列類似鳥類羽毛的柔性氣動(dòng)彈片，葉片在不同攻角時(shí)，氣動(dòng)彈片可根據(jù)流態(tài)自適應(yīng)地調(diào)整形態(tài)，宏觀上呈現(xiàn)出柔性的葉片，該葉片不僅能在葉片處于失速狀態(tài)時(shí)減緩大分離渦與渦脫落，當(dāng)流體來自于葉片后方時(shí)亦可提供較大的阻力以幫助風(fēng)力機(jī)自啟動(dòng)。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種垂直軸風(fēng)力機(jī)自適應(yīng)柔性葉片，葉片表面布置柔性氣動(dòng)彈片，用于自適應(yīng)地調(diào)節(jié)葉片周圍的流態(tài)，抑制與減緩葉片在失速狀態(tài)時(shí)流動(dòng)分離與渦脫落，同時(shí)兼顧提高風(fēng)力機(jī)自啟動(dòng)能力。
[0007]所述柔性氣動(dòng)彈片沿葉片高度排列，每排柔性氣動(dòng)彈片沿葉片表面均布。所述柔性氣動(dòng)彈片的根部與葉片表面黏合在一起。
[0008]本發(fā)明的有益效果是:
1.本發(fā)明通過在葉片表面布置柔性氣動(dòng)彈片來自適應(yīng)地調(diào)節(jié)葉片周圍的流態(tài)，能夠抑制與減緩葉片在失速狀態(tài)時(shí)流動(dòng)分離與渦脫落。同時(shí)兼顧提高風(fēng)力機(jī)自啟動(dòng)能力的作用。
[0009]2.考慮垂直風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特點(diǎn)，在葉片兩側(cè)均布置氣動(dòng)彈片，布置方式采用根部一小段黏合葉片的布置方式，彈片采用有柔韌性且有彈性的材質(zhì)。
[0010]3.本發(fā)明不對(duì)葉片主體動(dòng)作，而是僅通過氣動(dòng)彈片自適應(yīng)地起伏來改變?nèi)~片周圍的流態(tài)。葉片所處攻角較小(流動(dòng)不分離)時(shí)，氣動(dòng)彈片將整體貼附于葉片表面，不影響流動(dòng)狀態(tài);攻角較大時(shí)，彈片被卷起以減緩分離渦。風(fēng)力機(jī)自啟動(dòng)時(shí)，相關(guān)位置處的彈片可被來流卷起為啟動(dòng)提供較大的轉(zhuǎn)矩。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明的垂直軸風(fēng)力機(jī)自適應(yīng)柔性葉片結(jié)構(gòu)立體示意圖；
圖2為本發(fā)明的垂直軸風(fēng)力機(jī)自適應(yīng)柔性葉片的截面圖；
圖3為垂直軸風(fēng)力機(jī)自適應(yīng)柔性葉片自啟動(dòng)效果圖；
圖4為氣動(dòng)彈片與葉片連接示意圖；
圖5為葉片失速流場(chǎng)流線圖；
其中(a)常規(guī)葉片失速流場(chǎng)流線圖，(b)柔性葉片失速流場(chǎng)流線圖；
圖6為葉片表面流場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖；
其中(a)常規(guī)葉片，(b)柔性葉片。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0013]如圖1，2，3所示，一種垂直軸風(fēng)力機(jī)的自適應(yīng)柔性葉片3，通過在葉片I表面布置一系列類似鳥類羽毛的柔性氣動(dòng)彈片2，使葉片I在不同攻角時(shí)，柔性氣動(dòng)彈片2可根據(jù)流態(tài)自適應(yīng)地調(diào)整形態(tài)，宏觀上呈現(xiàn)出柔性的葉片。該自適應(yīng)柔性葉片3不僅能在葉片處于失速狀態(tài)時(shí)減緩大分離渦與渦脫落，當(dāng)流體來自于葉片后方時(shí)亦可提供較大的阻力以幫助風(fēng)力機(jī)自啟動(dòng)。該自適應(yīng)柔性葉片不對(duì)葉片主體動(dòng)作，而是僅通過氣動(dòng)彈片自適應(yīng)地起伏來改變?nèi)~片周圍的流態(tài)。
[0014]柔性氣動(dòng)彈片沿葉片高度排列，每排柔性氣動(dòng)彈片沿葉片表面均布。柔性氣動(dòng)彈片2的根部與葉片I表面黏合在一起，如圖4所示。
[0015]常規(guī)葉片在處于大攻角時(shí)，葉片將發(fā)生失速，上表面出現(xiàn)流動(dòng)分離，并伴隨一系列渦脫落，如圖5a所示，此時(shí)不僅葉片所受升力降低，載荷波動(dòng)也較為強(qiáng)烈。從圖5b可以看出，布置于葉片下表面上的氣動(dòng)彈片，貼附于葉片表面，不影響流體流動(dòng)，上表面的氣動(dòng)彈片將常規(guī)葉片上表面較大的分離渦拆分成較小的附著渦，使葉片整體上更適應(yīng)來流的狀態(tài)，同時(shí)提高葉片升力，降低渦脫落，降低載荷波動(dòng)。
[0016]垂直軸風(fēng)力機(jī)在自啟動(dòng)時(shí)，葉片靜止或轉(zhuǎn)速較低，常規(guī)葉片提供的轉(zhuǎn)矩較小。若采用柔性葉片，如圖3，相對(duì)于圖3中的自適應(yīng)柔性葉片3，此時(shí)來流位于葉片尾部，附著于葉片上的氣動(dòng)彈片將會(huì)被來流卷起，整體上呈現(xiàn)較大的迎風(fēng)面積，進(jìn)而為葉片提供較大的阻力，阻力方向與葉片所需運(yùn)動(dòng)方向相同，因此有助于風(fēng)力機(jī)的自啟動(dòng)，且此阻力能夠完全用于風(fēng)力機(jī)的自啟動(dòng)。
[0017]垂直軸風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中，葉片攻角周期性大幅度變化。對(duì)于常規(guī)葉片，由圖6a可以看出，攻角較小時(shí)，葉片處于附著流動(dòng)，隨著攻角的增大，流體從葉片尾部開始出現(xiàn)分離，并伴有脫落渦出現(xiàn)。隨著攻角進(jìn)一步增大，流動(dòng)分離加深，從葉片前緣即開始分離，渦脫落加強(qiáng)，此時(shí)來流為葉片提供的升力降低，并且存在較大的波動(dòng)。對(duì)于布置氣動(dòng)彈片的柔性葉片，由圖6b可以看出，在小攻角流體附著流動(dòng)時(shí)，彈片貼附于葉片表面，整體上與常規(guī)葉片無差別。流動(dòng)出現(xiàn)分離時(shí)，尾部的分離渦將葉片表面的彈片卷起，彈片將較大的分離渦拆分成較小的附著于葉片表面的渦，整體上提供了一個(gè)更適宜流體流動(dòng)的氣動(dòng)外形。隨著攻角的增大，氣動(dòng)彈片的作用更為顯著，不僅使得葉片升力有所提高，同時(shí)減小了渦脫落，降低了升力波動(dòng)，也有利于下游葉片/風(fēng)力機(jī)獲取風(fēng)能。
[0018]本發(fā)明中關(guān)于氣動(dòng)彈片在葉片表面的布置方式，上述提到的是采用根部一小段黏合葉片的布置方式。亦可采用其他方式，如嵌入等將根部一小段與葉片貼合。另亦可只將彈片根部端部鉸接于葉片表面，但此方法將影響彈片提高風(fēng)力機(jī)自啟動(dòng)能力的效果。關(guān)于彈片在葉片表面的排布方式，本文中采用沿葉片高度排列，每排均勻分布的方式。亦可根據(jù)其效果采用其他排布方式。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種垂直軸風(fēng)力機(jī)自適應(yīng)柔性葉片，其特征在于:葉片(I)表面布置柔性氣動(dòng)彈片(2)，用于自適應(yīng)地調(diào)節(jié)葉片(I)周圍的流態(tài)，抑制與減緩葉片(I)在失速狀態(tài)時(shí)流動(dòng)分離與渦脫落，同時(shí)兼顧提高風(fēng)力機(jī)自啟動(dòng)能力。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直軸風(fēng)力機(jī)自適應(yīng)柔性葉片，其特征在于:所述柔性氣動(dòng)彈片(2)沿葉片(I)高度排列，每排柔性氣動(dòng)彈片(2)沿葉片(I)表面均布。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的垂直軸風(fēng)力機(jī)自適應(yīng)柔性葉片，其特征在于:所述柔性氣動(dòng)彈片(2)的根部與葉片(I)表面黏合在一起。
【文檔編號(hào)】F03D3/06GK106050556SQ201610670023
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年8月15日 公開號(hào)201610670023.2, CN 106050556 A, CN 106050556A, CN 201610670023, CN-A-106050556, CN106050556 A, CN106050556A, CN201610670023, CN201610670023.2
【發(fā)明人】郝文星, 李春, 楊陽, 丁勤衛(wèi), 繆維跑, 葉柯華, 王淵博, 袁全勇
【申請(qǐng)人】上海理工大學(xué)