一种膜片启动增阻式水平轴风力机叶片论文和设计-李国文

全文摘要

一种膜片启动增阻式水平轴风力机叶片，在叶片内部设置有增阻膜片，增阻膜片采用伸缩式安装结构；在叶片尾缘段开设有膜片穿行缝隙，增阻膜片可在膜片穿行缝隙中移动；在叶片内部安装有膜片伸缩驱动缸，膜片伸缩驱动缸的缸体与叶片相固连，膜片伸缩驱动缸与叶片展长方向相垂直，在膜片伸缩驱动缸的活塞杆端部固连有一根传动杆，传动杆与叶片展长方向相平行；增阻膜片固连在传动杆上；增阻膜片位于叶片的叶尖端；增阻膜片采用矩形结构，增阻膜片的长度为叶片弦长的50％～60％，增阻膜片的宽度为叶片展长的25％～30％。当水平轴风力机安装了本实用新型的叶片后，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。

主设计要求

1.一种膜片启动增阻式水平轴风力机叶片，其特征在于：在叶片内部设置有增阻膜片，增阻膜片采用伸缩式安装结构；在叶片尾缘段开设有膜片穿行缝隙，所述增阻膜片可在膜片穿行缝隙中移动；在所述叶片内部安装有膜片伸缩驱动缸，膜片伸缩驱动缸的缸体与叶片相固连，膜片伸缩驱动缸与叶片展长方向相垂直，在膜片伸缩驱动缸的活塞杆端部固连有一根传动杆，且传动杆与叶片展长方向相平行；所述增阻膜片固连在传动杆上。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种膜片启动增阻式水平轴风力机叶片，其特征在于：所述增阻膜片位于叶片的叶尖端。

3.根据权利要求1所述的一种膜片启动增阻式水平轴风力机叶片，其特征在于：所述增阻膜片采用矩形结构，增阻膜片的长度为叶片弦长的50％～70％，增阻膜片的宽度为叶片展长的25％～30％。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于风力发电技术领域，特别是涉及一种膜片启动增阻式水平轴风力机叶片。

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。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种膜片启动增阻式水平轴风力机叶片，可以在不改变主流状态而通过直接改变气流方向来实现流动控制，本实用新型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本实用新型的叶片后，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，本实用新型采用如下技术方案：一种膜片启动增阻式水平轴风力机叶片，在叶片内部设置有增阻膜片，增阻膜片采用伸缩式安装结构；在叶片尾缘段开设有膜片穿行缝隙，所述增阻膜片可在膜片穿行缝隙中移动；在所述叶片内部安装有膜片伸缩驱动缸，膜片伸缩驱动缸的缸体与叶片相固连，膜片伸缩驱动缸与叶片展长方向相垂直，在膜片伸缩驱动缸的活塞杆端部固连有一根传动杆，且传动杆与叶片展长方向相平行；所述增阻膜片固连在传动杆上。

所述增阻膜片位于叶片的叶尖端。

所述增阻膜片采用矩形结构，增阻膜片的长度为叶片弦长的50％～60％，增阻膜片的宽度为叶片展长的25％～30％。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的膜片启动增阻式水平轴风力机叶片，可以在不改变主流状态而通过直接改变气流方向来实现流动控制，本实用新型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本实用新型的叶片后，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为本实用新型的一种膜片启动增阻式水平轴风力机叶片(增阻膜片处于伸出状态)的结构示意图；

图2为图1中A-A剖视图；

图3为本实用新型的一种膜片启动增阻式水平轴风力机叶片(增阻膜片处于缩回状态)的结构示意图；

图4为图1中B-B剖视图；

图中，1—增阻膜片，2—膜片穿行缝隙，3—膜片伸缩驱动缸，4—传动杆，5—叶片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

如图1～4所示，一种膜片启动增阻式水平轴风力机叶片，在叶片5内部设置有增阻膜片1，增阻膜片1采用伸缩式安装结构；在叶片5尾缘段开设有膜片穿行缝隙2，所述增阻膜片1可在膜片穿行缝隙2中移动；在所述叶片5内部安装有膜片伸缩驱动缸3，膜片伸缩驱动缸3的缸体与叶片5相固连，膜片伸缩驱动缸3与叶片展长方向相垂直，在膜片伸缩驱动缸3的活塞杆端部固连有一根传动杆4，且传动杆4与叶片展长方向相平行；所述增阻膜片1固连在传动杆4上。

所述增阻膜片1位于叶片5的叶尖端。

所述增阻膜片1采用矩形结构，增阻膜片1的长度为叶片弦长的50％～70％，增阻膜片1的宽度为叶片展长的25％～30％。

下面结合附图说明本实用新型的一次使用过程：

通过查取翼型手册，选取叶片翼型为对称翼型0018，按照选取的翼型制作两组叶片，第一组叶片为传统叶片，第二组叶片在传统叶片基础上按照本实用新型进行改造，本实用新型叶片所用的增阻膜片1选用厚度为0.2mm～0.5mm的弹性塑料片；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实用新型叶片的强度造成影响，可以在槽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。

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，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，由于叶片本申请的升力虽然很大，但由于其安装角度较小，因此其切向分力很小，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，此时也决定了传统叶片下的水平轴风力试验机的风能利用率。

接下来，对安装有本实用新型叶片的水平轴风力试验机进行试验。在试验过程中，本实用新型的叶片工作时，在风机启动前，先控制膜片伸缩驱动缸3的活塞杆伸出，进而通过传动杆4将增阻膜片1从膜片穿行缝隙2顶出叶片5，当气流流过增阻膜片1时，增阻膜片1会在气流作用下产生弯曲变形，气流的方向将被增阻膜片1改变，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，增阻膜片1的正面阻力将大于其旋转产生的负面阻力，此时增阻膜片1的正面阻力做正功；随着叶片转速的逐渐提高，当增阻膜片1旋转产生的负面阻力超过增阻膜片1的正面阻力时，增阻膜片1因负面阻力过大将对叶片的旋转产生阻碍作用，此时需要控制膜片伸缩驱动缸3的活塞杆回缩，使外伸的增阻膜片1回缩到叶片内部，恢复叶片5原本的气动外形，有效保证叶片5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实用新型的专利保护范围，凡未脱离本实用新型所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

设计图

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