CN109751182B - 一种可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片，用于减少电能的消耗来提高风能的利用率，包括：中间固定块St‑rib；第一转动翼，具有依次设置在中间固定块St‑rib前侧的第一转动块H‑rib和第二转动块S‑rib；第二转动翼，具有依次设置在中间固定块St‑rib后侧的第三转动块T‑rib和第四转动块E‑rib；变形传动部，具有用于驱动第一转动翼转动的第一传动组件、用于驱动第二转动翼转动的第二传动组件、设置于中间固定段内部并穿过中间固定块St‑rib上的输入轴孔的输入轴以及套设于输入轴上的用于带动第一传动组件和第二传动组件做反向相反的运动的第一同步轮，以及变形驱动部，具有输出端与输入轴相连接的电机，用于驱动输入轴和第一同步轮转动。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力机叶片，具体涉及一种可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片。
背景技术
风力机依风轮的结构及其在气流中的位置通常分为水平轴风力机和垂直轴风力机，垂直轴风力机又分为Darrieus型(升力型)风力机和Savonius型(阻力型)风力机。水平轴风力机的风能利用率最高，接近百分之五十，是目前应用最广也是技术最纯熟的主流机型，也是目前风能发电的主要装备。但与水平轴风力机相比，垂直轴风力机具有无需对风、噪音小、灵活方便、安全可靠、外形美观和维护简单等优点，可广泛应用于城市中心区域的公共照明、居民家庭、大型户外广告、电信基站、油田、高速公路全程监控***、游船及乡村等分布式供电领域。Darrieus型垂直轴风力机，在来流风的作用下主要靠风力机的叶片的升力和阻力的合力产生的扭矩进行做功，其风能利用率相较于靠阻力产生扭矩的萨沃纽斯型垂直轴风力机更高，近年来引起越来越多学者的关注，是风能利用中一种非常好的补充形式，具有广阔的应用前景，设法提高垂直轴风力机的风能利用率也是当今学术界的研究热点。
为了提高升力型垂直轴风力机的气动性能，目前出现了很多控制方法，在原来的翼型或者风力机上增加一些辅助设备，控制流体的流动，根据有没有额外功的消耗分为主动控制和被动控制。被动控制就是在翼型周围加一些平板、小翼型、小圆柱等，能控制翼型在大攻角下的流动分离；或者是在垂直轴轴风机转子周围增加一些折流板或者导流叶片，改变气体的流动方向，增加气体流动速度，使风能得到更好的利用。主动控制就是外加驱动设备，垂直轴风力机在转动过程中能使翼型转动、变形、尾缘摆动，在转矩比较小的相位角内改变翼型的攻角，翼型的气动性能得到提高，使垂直轴风力机的整体性气动性能得到提升。
对于现有升力型垂直轴风力机的变形叶片中，有采用被动变形与主动变形方式，对于被动变形，叶片表层蒙皮的材料属性要求较高，要保证叶片在变形中保证吸力面的曲率光滑，需要叶片内部具有较复杂的变形机构，不易加工与安装。且叶片被动产生的变形具有不稳定性，不能精确的在需要变形的角度下产生不同变形量的变形，风力机将达不到最佳气动效果。因此，需要一种能够解决上述问题的叶片。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片。
本发明提供了一种可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片，用于减少电能的消耗来提高风能的利用率，具有这样的特征，包括：中间固定块St-rib；第一转动翼，具有依次设置在中间固定块St-rib前侧的第一转动块H-rib和第二转动块S-rib；第二转动翼，具有依次设置在中间固定块St-rib后侧的第三转动块T-rib和第四转动块E-rib；变形传动部，具有用于驱动第一转动翼转动的第一传动组件、用于驱动第二转动翼转动的第二传动组件、设置于中间固定块St-rib内部并穿过中间固定块St-rib上的输入轴孔的输入轴以及套设于输入轴上的用于带动第一传动组件和第二传动组件做反向相反的运动的第一同步轮，以及变形驱动部，具有输出端与输入轴相连接的电机，用于驱动输入轴和第一同步轮转动，其中，第一传动组件包括设置于中间固定块St-rib与第二转动块S-rib之间的第一传动轴、套设于第一传动轴上的第一螺旋伞齿轮组、套设于第一传动轴上的并与第一同步轮相配合的第一同步带补偿器、设置于第二转动块S-rib与第一转动块H-rib之间的第二传动轴以及套设于第二传动轴上的第二同步轮，第二传动组件包括设置于中间固定块St-rib与第三转动块T-rib之间的第三传动轴、套设于第三传动轴上的第二螺旋伞齿轮组、套设于第三传动轴上的并与第一同步轮相配合的第二同步带补偿器、设置于第三转动块T-rib与第四转动块E-rib之间的第四传动轴以及套设于第四传动轴上的第三同步轮，第一同步带补偿器与第二同步带补偿器分别位于第一同步轮的两侧，从而与第一同步轮在相反的方向上形成转动配合，电机通过驱动输入轴，旋转带动第一螺旋伞齿轮组与第二螺旋伞齿轮组旋转，使得第二转动块S-rib和第三转动块T-rib做方向相反的绕心运动，同时，与输入轴连接的第一同步轮也被输入轴驱动，使得第一转动块H-rib做与第二转动块S-rib方向相同的绕心运动，且第四转动块E-rib做与第三转动块T-rib方向相同的绕心运动，从而改变整体的弯度，进而实现变形。
在本发明提供的可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片中，还可以具有这样的特征：其中，中间固定块St-rib的圆心设置于弦长的40％处，第一转动块H-rib、第二转动块S-rib、第三转动块T-rib以及第四转动块E-rib的转动圆心依次设置于弦长的15％、30％、49％、70％处。
在本发明提供的可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片中，还可以具有这样的特征：其中，第一转动块H-rib、第二转动块S-rib、中间固定块St-rib、第三转动块T-rib以及第四转动块E-rib之间的传动比为1:2:2:2:2。
在本发明提供的可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片中，还可以具有这样的特征：其中，电机为配备有减速机的57步进电机。
在本发明提供的可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片中，还可以具有这样的特征：其中，第一转动块H-rib、第二转动块S-rib、中间固定块St-rib、第三转动块T-rib以及第四转动块E-rib上均设置有表层蒙皮。
在本发明提供的可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片中，还可以具有这样的特征：其中，表层蒙皮具有从内向外依次设置的翼板、网面粘合层、PET粘附层以及PDMS膜。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片，因为第一转动块H-rib、第二转动块S-rib、中间固定块St-rib、第三转动块T-rib以及第四转动块E-rib采用分段式的结构，所以便于拆卸安装；因为采用的变形传动部能够通过电机的驱动来改变第一转动翼和第二转动翼的弯度，所以能够方便的改变叶片的角度；因为采用的电机能够通过单片机将其转动角度控制于10°以内，并通过变形传动部便可达到叶片气动性能的最优变形量，所以能够通过消耗极少的电能使垂直轴风力机的利用率增加3％以上。因此，本发明的可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片结构简洁，各部分结构易加工，能够实现往复变形，且变形具有稳定性，还能够精确的在需要变形的角度下产生不同变形量的变形，并使风力机达到最佳气动效果。
附图说明
图1是本发明的实施例中的可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片的结构示意图；
图2是本发明的实施例中的可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片的中间固定块与两个转动翼的侧视图；
图3是本发明的实施例中的可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片的实物图；
图4是本发明的实施例中的可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片的表层蒙皮的结构示意图；
图5是本发明的实施例中的可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片的表层蒙皮变形区间施加预紧力的示意图；
图6是本发明的实施例中的可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片粘附PDMS膜后效果俯视实物图；
图7是本发明的实施例中的可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片的变形传动部的局部结构示意图；
图8是本发明的实施例中的可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片变性弯度示意图；
图9是本发明的实施例中的d*＝0.0875时叶片变形量的示意图；
图10是本发明的实施例中的d*＝0.125时叶片变形量的示意图；
图11是本发明的实施例中的d*＝0.15时叶片变形量的示意图；
图12是本发明的实施例中的不同d*值下的升力系数图；
图13是本发明的实施例中的不同d*值下的升阻比图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
实施例：
如图1-图3所示，本实施例的一种可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片100，用于减少电能的消耗来提高风能的利用率，并能实现往复循环改变弯度，包括：中间固定块St-rib10、第一转动翼、第二转动翼、变形传动部以及变形驱动部。
可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片100的翼型为NACA4412翼型，保证了吸力面曲率。
中间固定块St-rib10的圆心设置于弦长的40％处。
第一转动翼，具有依次设置在中间固定块St-rib10前侧的第一转动块H-rib21和第二转动块S-rib22。
第二转动翼，具有依次设置在中间固定块St-rib10后侧的第三转动块T-rib31和第四转动块E-rib32。
第一转动块H-rib21、第二转动块S-rib22、第三转动块T-rib31以及第四转动块E-rib32的转动圆心依次设置于弦长的15％、30％、49％、70％处。
第一转动块H-rib21、第二转动块S-rib22、中间固定块St-rib10、第三转动块T-rib31以及第四转动块E-rib32之间的传动比为1:2:2:2:2。
如图4-图6所示，第一转动块H-rib21、第二转动块S-rib22、中间固定块St-rib10、第三转动块T-rib31以及第四转动块E-rib32上均设置有表层蒙皮。
表层蒙皮具有从内向外依次设置的翼板51、网面粘合层52、PET粘附层53以及PDMS膜54。
翼板51的厚度为1.5mm，网面粘合层52的厚度为150μm，PET粘附层的厚度为200μm，PDMS膜54的厚度为200μm。
翼板51的轮廓线的厚度比NACA4412轮廓线大1.5mm，使其利于后期表层蒙皮的固定，还能使各转动块间互相转动时所出现的奇点和表层蒙皮保持间距，从而保证了叶片表面曲率的连续性，解决了转动时易出现奇点，在最大厚度处的转动块因转动出现的奇点较为明显，且奇点会导致叶片表面曲率不连续，从而影响叶片气动性能这一系列问题。
网面粘合层52用于翼板51与PET粘附层53的固定，并且因为PDMS薄膜54与PET粘附层53均有很强的粘合力，所以可以通过两种膜的直接粘附方式完成蒙皮的固定，且能方便的在转动块之间以及转动块与固定块之间的间隙处加预紧力，使叶片变形时压力面能维持光滑，从而避免了变形叶片实现弯度变化时，吸力面的蒙皮被拉伸和压力面的蒙皮则被压缩出现沿展向的褶皱的问题。
如图1和图7所示，变形传动部，具有用于驱动第一转动翼转动的第一传动组件、用于驱动第二转动翼转动的第二传动组件、设置于中间固定块St-rib10内部并穿过中间固定块St-rib10上的输入轴孔11的输入轴以及套设于输入轴上的用于带动第一传动组件和第二传动组件做反向相反的运动的第一同步轮41。
第一传动组件包括设置于中间固定块St-rib10与第二转动块S-rib22之间的第一传动轴4201、套设于第一传动轴4201上的第一螺旋伞齿轮组4202、套设于第一传动轴4201上的并与第一同步轮41相配合的第一同步带补偿器4203、设置于第二转动块S-rib22与第一转动块H-rib21之间的第二传动轴4204以及套设于第二传动轴4204上的第二同步轮4205。
第二传动组件包括设置于中间固定块St-rib10与第三转动块T-rib31之间的第三传动轴4301、套设于第三传动轴4301上的第二螺旋伞齿轮组4302、套设于第三传动轴4301上的并与第一同步轮41相配合的第二同步带补偿器4303、设置于第三转动块T-rib31与第四转动块E-rib32之间的第四传动轴4304以及套设于第四传动轴4304上的第三同步轮4305。
第一同步带补偿器4203与第二同步带补偿器4303分别位于第一同步轮41的两侧，从而与第一同步轮41在相反的方向上形成转动配合。
变形驱动部，具有输出端与输入轴相连接的电机，用于驱动输入轴和第一同步轮41转动。
电机为配备有减速机的57步进电机。
电机通过驱动所述输入轴，旋转带动所述第一螺旋伞齿轮组与所述第二螺旋伞齿轮组旋转，使得所述第二转动块S-rib和所述第三转动块T-rib做方向相反的绕心运动，同时，与所述输入轴连接的第一同步轮也被输入轴驱动，使得所述第一转动块H-rib做与所述第二转动块S-rib方向相同的绕心运动，且所述第四转动块E-rib做与所述第三转动块T-rib方向相同的绕心运动，从而改变整体的弯度，进而实现变形。
电机通过驱动输入轴和第一同步轮41旋转带动与第一同步轮41相配合的第一同步带补偿器4203与第二同步带补偿器4303工作，使得第一螺旋伞齿轮组4202与第二螺旋伞齿轮组4302的旋转方向相反，从而使得第二转动块S-rib22和第三转动块T-rib31做方向相反的绕心运动，同时，与所述输入轴连接的第一同步轮也被输入轴驱动，使得第一转动块H-rib21做与第二转动块S-rib22方向相同的绕心运动，且第四转动块E-rib32做与第三转动块T-rib31方向相同的绕心运动，从而改变整体的弯度，进而实现变形。
本实施例中，除了中间固定块St-rib10与变形传动部使用金属加工外，其余除电机以外的部件均由工业级3D打印机打印完成，使用光滑度较高的光敏树脂材料，使得部件间相对运动时的转动区域体现出较好的顺滑性。
本实施例中，采用用无量纲尾缘偏转距离d*＝d/c来定义变形因子，其中，c指弦长，d指第四转动块32的偏转距离，叶片变弯度示意图如图8所示。
如图9至图11所示，本实施例所测量的3个d*值下的叶片变形效果，可知：叶片变形量随着d*值的增大而增大。
如图12和图13所示，可知：通过适当的调整叶片弯度可使得叶片气动性能在大范围攻角区间内有较大的提升，并在其余的攻角范围内基本维持原有气动性能。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片，因为第一转动块H-rib、第二转动块S-rib、中间固定块St-rib、第三转动块T-rib以及第四转动块E-rib采用分段式的结构，所以便于拆卸安装；因为采用的变形传动部能够通过电机的驱动来改变第一转动翼和第二转动翼的弯度，所以能够方便的改变叶片的角度；因为采用的电机能够通过单片机将其转动角度控制于10°以内，并通过变形传动部便可达到叶片气动性能的最优变形量，所以能够通过消耗极少的电能使垂直轴风力机的利用率增加3％以上。因此，本实施例的可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片结构简洁，各部分结构易加工，能够实现往复变形，且变形具有稳定性，还能够精确的在需要变形的角度下产生不同变形量的变形，并使风力机达到最佳气动效果。
根据本实施例所涉及的可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片，因为中间固定块St-rib的圆心设置于弦长的40％处，第一转动块H-rib、第二转动块S-rib、第三转动块T-rib以及第四转动块E-rib的转动圆心依次设置于弦长的15％、30％、49％、70％处，所以能够提供变形传动部安装所需的空间。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片，用于减少电能的消耗来提高风能的利用率，其特征在于，包括：
中间固定块St-rib；
第一转动翼，具有依次设置在所述中间固定块St-rib前侧的第一转动块H-rib和第二转动块S-rib；
第二转动翼，具有依次设置在所述中间固定块St-rib后侧的第三转动块T-rib和第四转动块E-rib；
变形传动部，具有用于驱动所述第一转动翼转动的第一传动组件、用于驱动所述第二转动翼转动的第二传动组件、设置于所述中间固定块St-rib内部并穿过所述中间固定块St-rib上的输入轴孔的输入轴以及套设于所述输入轴上的用于带动所述第一传动组件和所述第二传动组件做反向相反的运动的第一同步轮，以及
变形驱动部，具有输出端与所述输入轴相连接的电机，用于驱动所述输入轴和所述第一同步轮转动，
其中，所述第一传动组件包括设置于所述中间固定块St-rib与所述第二转动块S-rib之间的第一传动轴、套设于所述第一传动轴上的第一螺旋伞齿轮组、套设于所述第一传动轴上的并与所述第一同步轮相配合的第一同步带补偿器、设置于所述第二转动块S-rib与所述第一转动块H-rib之间的第二传动轴以及套设于所述第二传动轴上的第二同步轮，
所述第二传动组件包括设置于所述中间固定块St-rib与所述第三转动块T-rib之间的第三传动轴、套设于所述第三传动轴上的第二螺旋伞齿轮组、套设于所述第三传动轴上的并与所述第一同步轮相配合的第二同步带补偿器、设置于所述第三转动块T-rib与所述第四转动块E-rib之间的第四传动轴以及套设于所述第四传动轴上的第三同步轮，
所述第一同步带补偿器与所述第二同步带补偿器分别位于所述第一同步轮的两侧，从而与所述第一同步轮在相反的方向上形成转动配合，
所述电机通过驱动所述输入轴，旋转带动所述第一螺旋伞齿轮组与所述第二螺旋伞齿轮组旋转，使得所述第二转动块S-rib和所述第三转动块T-rib做方向相反的绕心运动，同时，与所述输入轴连接的第一同步轮也被输入轴驱动，使得所述第一转动块H-rib做与所述第二转动块S-rib方向相同的绕心运动，且所述第四转动块E-rib做与所述第三转动块T-rib方向相同的绕心运动，从而改变整体的弯度，进而实现变形。
2.根据权利要求1所述的可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片，其特征在于：
其中，所述中间固定块St-rib的圆心设置于弦长的40％处，
所述第一转动块H-rib、所述第二转动块S-rib、所述第三转动块T-rib以及所述第四转动块E-rib的转动圆心依次设置于弦长的15％、30％、49％、70％处。
3.根据权利要求1所述的可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片，其特征在于：
其中，所述第一转动块H-rib、所述第二转动块S-rib、所述中间固定块St-rib、所述第三转动块T-rib以及所述第四转动块E-rib之间的传动比为1:2:2:2:2。
4.根据权利要求1所述的可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片，其特征在于：
其中，所述电机为配备有减速机的57步进电机。
5.根据权利要求1所述的可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片，其特征在于：
其中，所述第一转动块H-rib、所述第二转动块S-rib、所述中间固定块St-rib、所述第三转动块T-rib以及所述第四转动块E-rib上均设置有表层蒙皮。
6.根据权利要求5所述的可用于垂直轴风力机的新型机械式主动变形叶片，其特征在于：
其中，所述表层蒙皮具有从内向外依次设置的翼板、网面粘合层、PET粘附层以及PDMS膜。
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| CN102536643A (zh) * | 2012-01-16 | 2012-07-04 | 哈尔滨工程大学 | 一种垂直轴风力机 |
| CN103291540A (zh) * | 2013-06-03 | 2013-09-11 | 河海大学常州校区 | 直叶片翼型弯度线与风轮运行轨迹重合的垂直轴风力机 |
| CN105863959A (zh) * | 2016-04-13 | 2016-08-17 | 上海理工大学 | 机械式自适应变形叶片 |
| CN105927465A (zh) * | 2016-05-31 | 2016-09-07 | 上海理工大学 | 一种垂直轴风力机磁性变形叶片 |
| CN106545466A (zh) * | 2016-12-07 | 2017-03-29 | 上海理工大学 | 一种阻力型垂直轴风力机 |
-
2019
- 2019-03-19 CN CN201910208118.6A patent/CN109751182B/zh active Active
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