通过调整叶片弯度提高水平轴风力机叶片启动性能的方法与流程

本发明属于风力发电技术领域，特别是涉及一种通过调整叶片弯度提高水平轴风力机叶片启动性能的方法。

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。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种通过调整叶片弯度提高水平轴风力机叶片启动性能的方法，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，本发明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通过本发明改造后的叶片，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，本发明采用如下技术方案：一种通过调整叶片弯度提高水平轴风力机叶片启动性能的方法，包括如下步骤：

步骤一：将叶片设计成两个部分，第一部分为动叶，第二部分为静叶，在静叶的前缘段中部加工出动叶安装槽，动叶安装槽用于安置动叶，由动叶与静叶共同组成完整叶片，同时保证动叶能够在动叶安装槽内进行转动；

步骤二：在静叶内部加工出动叶驱动组件安装槽，将事先选配好的动叶驱动组件安装到动叶驱动组件安装槽中，再将动叶与动叶驱动组件连接在一起；

步骤三：在叶片启动阶段，先通过动叶驱动组件调整动叶的转动角度，使动叶的弦线与静叶的弦线形成夹角，用以增大叶片对气流的阻力，使叶片能够进行低速启动；

步骤四：当叶片经过启动阶段后，再通过动叶驱动组件将动叶调整回初始位置，使动叶的弦线与静叶的弦线相重合，用以恢复叶片原本的气动外形，进而保证叶片原本的气动性能。

所述动叶的展长至少为静叶展长的50％。

所述动叶的弦长至少为静叶弦长的35％。

本发明的有益效果：

本发明的通过调整叶片弯度提高水平轴风力机叶片启动性能的方法，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，本发明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通过本发明改造后的叶片，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为本发明的通过调整叶片弯度提高水平轴风力机叶片启动性能的方法的效果原理图；

图2为图1中a-a剖视图；

图3为图2中的叶片处于最大弯度状态时的示意图；

图中，1—动叶，2—静叶，3—第一转轴，4—轴承，5—第二转轴，6—动叶转动驱动电机，7—联轴器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

一种通过调整叶片弯度提高水平轴风力机叶片启动性能的方法，包括如下步骤：

步骤一：将叶片设计成两个部分，第一部分为动叶1，第二部分为静叶2，在静叶2的前缘段中部加工出动叶安装槽，动叶安装槽用于安置动叶1，由动叶1与静叶2共同组成完整叶片，同时保证动叶1能够在动叶安装槽内进行转动；

步骤二：在静叶2内部加工出动叶驱动组件安装槽，将事先选配好的动叶驱动组件安装到动叶驱动组件安装槽中，再将动叶1与动叶驱动组件连接在一起；

步骤三：在叶片启动阶段，先通过动叶驱动组件调整动叶1的转动角度，使动叶1的弦线与静叶2的弦线形成夹角，用以增大叶片对气流的阻力，使叶片能够进行低速启动；

步骤四：当叶片经过启动阶段后，再通过动叶驱动组件将动叶1调整回初始位置，使动叶1的弦线与静叶2的弦线相重合，用以恢复叶片原本的气动外形，进而保证叶片原本的气动性能。

所述动叶1的展长至少为静叶2展长的50％。

所述动叶1的弦长至少为静叶2弦长的35％。

本实施例中，按图1～3所示对叶片进行改造，其中动叶驱动组件包括动叶转动驱动电机6及联轴器7，动叶1顶端通过第一转轴3及轴承4与静叶2相连，动叶1底端通过第二转轴5及联轴器7与动叶转动驱动电机6的电机轴相连。

通过查取翼型手册，选取叶片翼型为对称翼型0018，该翼型叶片的弯度为0，按照选取的翼型制作两组叶片，第一组叶片为传统叶片，第二组种叶片在传统叶片的基础上按照本发明进行改造，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发明叶片的强度造成影响，可以在叶片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，并进行动平衡实验。

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，叶片与空气来流的相遇后，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，但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，此时决定传统叶片下的水平轴风力试验机的风能利用率不高。

接下来，对安装有本发明叶片的水平轴风力试验机进行试验。在试验过程中，本发明的叶片工作时，在风机启动前，先控制动叶转动驱动电机6电机轴转动设定的角度，通过电机轴带动第二转轴5转动同样的角度，进而使动叶1相对于静叶2转动相同的角度，且动叶1的转动方向朝向叶片吸力面，此时动叶1的弦线与静叶2的弦线之间呈30°夹角，相当于叶片向吸力面弯曲。

当气流流经流向大弯度的叶片时，该叶片会对气流产生明显的阻力，而气流的反作用力将转化为叶片的旋转动力；当叶片启动后，在低速范围内，叶片受到的阻力做正功；随着叶片转速的逐渐提高，叶片受到的阻力将变为做负功，此时过大的阻力将对叶片的旋转产生阻碍作用，因此需要控制动叶转动驱动电机6的电机轴反向回转至初始位置，使动叶1与静叶2的弦线重新重合到一条直线上，以恢复叶片原本的气动外形，有效保证叶片原本的气动性能，最终提高了水平轴风力试验机的低速启动性能，从而使水平轴风力试验机的风能利用率得到提高。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。