专利名称：一种风力机叶片可动小翼装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风力机叶片可动叶尖小翼，属风力发电领域。
背景技术：
风力机叶片气动效率的高低决定了一款风力机在市场上的优劣，所以如何增加叶片气动效率是风力机设计的关键。另外一方面，随着风速增加，叶片所受到的气动载荷也随之增加，从而减少风力机结构系统的使用寿命，因此，高风速进行降载也是重点。目前市场主流的大型风力机叶片在小风速下气动效率低，捕获能量少，不能充分利用风能资源；而在大风速下，风力机叶片所受到的气动载荷则过大，提高了结构强度要求，增加了叶片的成本；当风速在额定风速附近时，主流风力机通过叶片变桨来维持发电效率以及控制气动载荷，但是整个叶片变桨距角很难稳定精确控制发电功率以及气动载荷，从而需要增加更精确控制的装置。有不少专利是通过流动控制手段来提高叶片气动性能，如加襟翼、前缘带旋转圆柱体、射流控制等。对于现在已有的风力机叶片来讲，叶片的主要气动分布载荷与捕获功率均集中于叶片叶尖附近区域，因此叶尖附近区域是提高叶片气动效率、降低大风速下叶片气动载荷的关键部位，因此在叶尖增加小翼对控制整个叶片的气动载荷与捕获功率将会有显著的效果。为了针对前面提到的风力机遇到的三种风速情况，将小翼设计为可控制可动的来分别应对。在低风速，小翼与风轮平面在同一平面以保证叶片的气动效率不会降低；在额定风速附近，通过对小翼转动角度的控制，达到精确稳定控制叶片发电功率与气动载荷的目的，使之光滑过渡；在高风速下，小翼转动到90°，在保证发电功率不变的前提下，降低叶片的气动载荷。
发明内容
本发明针对上述的不足提供了一种风力机叶片可动小翼装置。本发明采用如下技术方案
本发明所述的一种风力机叶片可动小翼装置，包括风力机叶片，其特征在于包括可动小翼，舵机，传动杆，助力器；所述的风力机叶片的顶端连接可动小翼；舵机与传动杆连接，传动杆连接助力器，助力器驱动可动小翼转动。本发明所述的风力机叶片可动小翼装置，所述的可动小翼连接端的截面形状与风力机叶片顶端的截面形状相匹配。本发明所述的风力机叶片可动小翼装置，所述的可动小翼与风力机叶片的连接处采用具有弹塑性的蒙皮材料包裹。本发明所述的风力机叶片可动小翼装置，所述的可动小翼的转动角度为O。-90。。本发明所述的风力机叶片可动小翼装置，所述的可动小翼的径向长度为风力机叶片长度的2%-3%。
有益效果
本发明的目的是提供一种风力机叶片可动小翼装置，对叶尖部位的流动进行控制，在保持低风速下的叶片气动效率的前提下，同时减少高风速下的气动载荷，以及稳定精确控制额定风速附近的气动载荷和发电功率，使叶片所受的气动载荷以及整体发电功率能够平滑过渡。本发明应用范围较广，可基于目前已有的比较成熟的商业叶片，只需要对已有叶片的叶尖部位进行一定的改装，而不会改变已有叶片的整体气动布局，即可大幅度的提高已有叶片的全风速下的性能。
图1为本发明的主叶片和可动小翼主视 图2为本发明的主叶片和可动小翼俯视 图3为本发明可动叶尖小翼的_■维翼型 图4为本发明可动叶尖小翼沿展向的弦长分布 图5为本发明可动叶尖小翼执行机构示意 图6小翼转动角度0°与30°时，叶尖区域推力的比较示意 图7小翼转动角度0°与30°时，叶尖区域切向力的比较示意 图中I是叶尖小翼，2是主叶片，3是上翼面,4是下翼面，5是蒙皮，6是航机，7是传动杆，8是助力器，9是小翼。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进一步详细说明
如图所示一种风力机叶片可动小翼装置，在一个完整常规叶片基础上，在叶尖截取适当长度安装一个可动小翼。可动小翼的第一个截面翼型应该与主叶片最后翼型相同，可进行主动控制小翼角度变化，可动叶尖小翼除了小翼部分还包括其执行机构和连接主叶片处外表蒙皮，执行机构通过舵机来实现小翼旋转，图中6为接收主动控制信号后产生相应转动的舵机；图中7为传动杆进行位移变化；再通过图中8助力器来直接实现小翼的转动。可动小翼连接主叶片处外表采用具有弹塑性的蒙皮材料包裹，能够随着小翼角度的变化而变化。其径向长度取主叶片长度的2%到3%。可动小翼的翼型为主叶片的最后截面的翼型，并且扭角不变，通过优化小翼的功率系数获得最合理的弦长分布。可以从0°到90°范围变化，而且角度向着吸力面变化。吸力面蒙皮是具有可伸缩的弹塑性材料，随着角度的改变而伸缩。小翼的控制策略方法实施如下
风力机当运行在低风速区域时，可动小翼不改变角度，与主叶片成0° ;当运行于过渡风速区域时，这时通过主动控制给执行机构信号，通过传动杆和助力器对小翼呈现的角度实施相应改变；当风力机运行高风速时，可动小翼转动到最大角度90°。在低风速下，即额定风速以下，可动小翼沿主叶片展向方向伸长，即与风轮为O度夹角。该状态下保证了主叶片在小风速的情况下，气动效率不会有所降低。在额定风速附近，由于变桨控制对整个叶片的气动载荷和发电功率控制不够精确，而通过调节可动小翼的角度，可以很稳定的精确控制整个叶片的气动载荷，叶片的变桨控制使得发电功率曲线有个平缓的过渡。在高风速下，即额定风速以上，可动小翼转动到90°。在该状态中，首先可动小翼转动以后，风力机风轮的迎风面积就相对减少了，叶片整体所受的气动载荷自然会有所降低，而且同时由于可动小翼对叶尖三维绕流效应的抑制，增加了叶片的气动效率，能够保持叶片发电功率的基本不变。总的来说，通过可动小翼的作用，在保证叶片整体发电功率基本不变的前提下，降低了叶片所受的气动载荷，这样如果在保持原有叶片结构强度不变的基础上，叶片能够承受的发电风速范围会增加，或者在保持发电风速范围不变的基础上，可以降低叶片的结构强度要求。为了验证可动小翼的作用，使用计算流体力学方法对可动小翼进行了数值模拟。选取了 lOm/s这一典型风速，小翼的转动角度选取了 0°和30°。图6和图7分别为小翼转动角度0°、30°状态时，叶片叶尖区域的推力与切向力。其中推力为叶片受到来流方向的力，是主要的叶片气动载荷，由图6中可以看出在同一风速下转动角度30°的小翼抑制叶尖绕流效应的作用显著，推力明显小于0°小翼的时候。而在图7中，由于转动角度30°时， 叶尖位置较0°时要略低，因此在叶片最叶尖的部位，转动角度30°的切向力要小于0°的，但再往叶片内部一点，由于对叶尖绕流效应的抑制，转动角度30°状态下的切向力就大于0°的了，总的来说转动角度0°与30°时，切向力基本能够保持不变，而切向力正是推动叶片转动的直接动力，直接影响着叶片的发电功率，切向力的不变说明了叶片的发电功率在小翼转动角度0°与30°时基本保持了不变。为本发明一个实施例子整个叶片和可动小翼的形状、可动小翼的执行机构以及整个叶片性能分析图。基于的原来叶片长度为41米，额定功率为1500KW。参照图1和图2，为主叶片和小翼工作状态图，小翼各截面的压力中心连线与主叶片各截面的压力中心连线的夹角定义为小翼的转动角度α。在风力机叶尖加小翼，当风轮旋转起来，就相当于在叶尖外加了一个扩散器，所以根据扩散器理论风力机叶尖加小翼对输出功率起到的放大作用。为了对风力机带有叶尖小翼的模型进行数值模拟计算，需根据叶片及小翼的几何形状对叶片进行几何建模。可动小翼在不同风速下的状态不同，在低风速下，完全展开，与叶片夹角成0°，增大捕风面积。在风速较大的情况下，小翼与叶片平面间夹角逐渐增大，直至90° ,起到降低气动载荷，以及精确控制功率输出的作用。参照图3和图4，为可动小翼的翼型形状以及弦长分布。可动小翼的具体设计，改变弦长得出一系列小翼的模型，弦长在±5%之间变化。将这一系列小翼的几何外形利用BEM理论进行计算，得到功率系数仏最大的小翼即为最优，由此确定可动小翼的几何形状。参照图5，为可动叶尖小翼执行机构示意图。本发明的可动小翼可通过舵机来实现小翼旋转，图中6为接收控制信号后产生相应转动的舵机；图中7为传动杆；由于小翼在运行过程中偏转力矩可能较大，而舵机不能直接带动，因此需要图中8助力器来直接实现小翼的转动；图中9为可动叶尖小翼的不意图。参照图6，为小翼转动角度为0°与30°时叶片所受推力的比较。推力为叶片受到来流方向的力，是主要的叶片气动载荷，可以看出在同一风速下转动角度30°的小翼抑制叶尖绕流效应的作用显著，推力明显小于0°状态时，说明小翼降低了叶片的气动载荷。参照图7，为小翼转动角度为0°与30°时叶片所受切向力的比较。切向力是推动叶片转动的直接动力，直接影响着叶片的发电功率。由于转动角度30°时，叶尖位置较0°时要略低，因此在叶片最叶尖的部位，转动角度30°状态下的切向力要小于0°的，但再往叶片内部一点，由于对叶尖绕流效应的抑制，转动角度30°状态下的切向力就大于0°的了，总的来说夹角0°与30°时，切向力基本能够保持不变，叶片的发电功率也基本不变。本发明应用范围较广，可基于目前已有的比较成熟的商业叶片，只需要对已有叶片的叶尖部位进行一定的改装，而不会改变已有叶片的整体气动布局，即可大幅度的提高已有叶片的全风速下的性能。
权利要求
1.一种风力机叶片可动小翼装置，包括风力机叶片，其特征在于包括可动小翼，舵机，传动杆，助力器；所述的风力机叶片的顶端连接可动小翼；舵机与传动杆连接，传动杆连接助力器，助力器驱动可动小翼转动。
2.根据权利要求1所述的风力机叶片可动小翼装置，其特征在于所述的可动小翼连接端的截面形状与风力机叶片顶端的截面形状相匹配。
3.根据权利要求1所述的风力机叶片可动小翼装置，其特征在于所述的可动小翼与风力机叶片的连接处采用具有弹塑性的蒙皮材料包裹。
4.根据权利要求1所述的风力机叶片可动小翼装置，其特征在于所述的可动小翼的转动角度为O° -90°。
5.根据权利要求1所述的风力机叶片可动小翼装置，其特征在于所述的可动小翼的径向长度为风力机叶片长度的2%-3%。
全文摘要
本发明涉及一种风力机叶片可动叶尖小翼，属风力发电领域。风力机叶片的顶端连接可动小翼；舵机与传动杆连接，传动杆连接助力器，助力器驱动可动小翼转动。本发明的目的是提供一种风力机叶片可动小翼装置，对叶尖部位的流动进行控制，在保持低风速下的叶片气动效率的前提下，同时减少高风速下的气动载荷，以及稳定精确控制额定风速附近的气动载荷和发电功率，使叶片所受的气动载荷以及整体发电功率能够平滑过渡。
文档编号F03D11/00GK102996367SQ201210495808
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月29日 优先权日2012年11月29日
发明者曹九发, 朱翀, 王同光, 许波峰, 沈翔 申请人:南京航空航天大学