CN117386552A - 伸缩扰流板改变叶片的升力的气动减速方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于风力发电领域中垂直轴风力机的叶片气动减速方法，在升力型叶片上安装扰流板机构，不同的扰流板形式，都能使升力型叶片具有气动减速功能。当风速过高、叶片转速过高时，扰流板自动伸出(打开)，使气流发生分离、产生湍流，破坏叶片的升力，干扰叶片上的空气动力，从而限制风轮转速和输出功率；当风速减小或转速降低时，又能使扰流板自动收回。扰流板复位后不影响叶片运行。扰流板有抽屉式平动的伸缩形式，也有绕轴摆动打开、收回的形式。有离心力驱动扰流板自动伸出打开、扭簧控制自动收回的模式；也有电机驱动装置打开、收回的模式，其性质都叶片上出现凸起物破坏升力，都属于扰流减速的方法。

Description

伸缩扰流板改变叶片的升力的气动减速方法

技术领域

本发明属于风能利用领域，涉及垂直轴风力发电机控制技术，具体涉及一种以伸缩扰流 板使升力型垂直轴风力机实现气动减速并控制功率的方法。

背景技术

升力型垂直轴风力机，分为弯叶片的φ型机(达里厄型，Darrieus)、直叶片的H型机 两类。这两种垂直轴风轮都须由叶片和支臂构成，叶片作为空气动力构件产生旋转做功的动 力，支臂是支撑叶片的构件。升力型垂直轴风轮以直叶片的H型为主流型式。其叶片是绕垂 直于大地的轴(垂直的机身)旋转，直叶片本身也是垂直于大地的。

我们知道升力型垂直轴风力机的叶片是流线型的，流线型叶片在气流作用下产生升力。 升力是驱动叶片绕轴旋转的动力源泉。但风速范围很宽，额定风速使风轮正常出力，而超额 风速可能会给整个风力发电机组带来损坏。这就需要限速。

任何风力机都需要气动减速，以使大风下能靠减小空气动力限制住输出功率。大、中型 水平轴风力机靠变桨来改变功角、改变空气动力，大风下减少风能获取率，有效控制住转速， 这就是气动减速技术。而垂直轴风力机产品不论大中小型至今均未见合理有效的气动减速方 法出现。由于不能有效控制转速，不是暴风下飞车导致损毁，就是为确保安全而及早停机， 舍弃中高风速段的发电时间。这是垂直轴风力机远不如水平轴机应用广泛的重要原因。

目前升力型垂直轴机的减速方法：一种是电磁刹车法，风大时将发电机短路，以大电磁 阻力令风轮停转，这是一种虽不够合理但比较实用的办法，主要是对微型、小型机用。靠这 种办法限速通常在15m/s风速就要刹车，风速再大后即使短路也难刹住，而这个风速及以上 风速段正是发电的好机会。这种短路刹车法不适合用于十几千瓦以上较大功率的产品。还有 机械式制动器强制刹车法，但对于正在旋转的风轮进行刹车，会对风轮构件造成很大冲击， 易使机件损坏，也不是合理办法，是不得已而用。还有一种在支臂远端(与叶片连接处)装 扰流板的方法，属于气动减速装置，是合理的、较好的方法，类似飞机落地时机翼上面打开 扰流板使滑行减速的方法，这是靠增加阻力来实现风轮减速。它可以用在较大功率的产品上。 但支臂上装扰流板的方法只是增加了风轮运行阻力，不是在叶片上减少风轮对风功率的获取， 而功率是风速的三次方、阻力只是风速的二次方，要多大尺寸的扰流板才能让超额风速段 (13～15m/s以上风速就是超额风速)的阻力矩与风轮的超额输出扭矩达到动态平衡，这在宽 风速范围内是难以做到自动控制能量输入及风轮转速的。

总之可以说，垂直轴机现有的转速控制方法都是“抵抗”式的，不是“釜底抽薪”的方式， 没有以减少风能吸收的方式来达到转速受控、实现对功率的控制。

发明内容

要解决的技术问题

本发明的目的，在于解决现有升力型垂直轴风力机不能实现气动减速、控制风功率输入 的缺陷。由于垂直轴风力机叶片与支臂一经组装好，其角度关系、叶片空间姿态就固定不变。 大而重的叶片要整体动作、变换角度是很困难的，也不必要走这条技术路线。为了控制风轮 转速，消除超额风速下飞车毁机的风险，需要有一个小巧的气动减速装置装在叶片上，能在 不需叶片整体动作的情况下实现自动减速、控制住超额功率、防止飞车事故。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种伸缩扰流板改变叶片的升力的气动减速方法，使垂直轴风力机在超额风速时，在叶 片上伸出扰流板，破坏叶片上的升力、改变风能捕获率从而实现气动减速。

所述的伸缩扰流板改变叶片的升力的气动减速方法，其特征是：由连动杆2、扰流板1、 扰流板3、扭簧4组成扰流板伸缩机构，该机构装在叶片空腔中。

所述的伸缩扰流板改变叶片的升力的气动减速方法，其特征是：连动杆2绕自身轴摆动， 连动杆2受中心的扭簧4控制。当扰流板1受离心力驱动而伸出时，通过连动杆2带动扰流 板3向另一面同时伸出。

所述的伸缩扰流板改变叶片的升力的气动减速方法，其特征是：扭簧4施加在连动杆2 上的力控制着连动杆始终有收回的趋势，当离心力减小到不足以克服扭簧4的扭力时，扭簧4 迫使连动杆2复位，带动扰流板1、3同时缩回。

所述的伸缩扰流板改变叶片的升力的气动减速方法，另一种扰流板方式其特征是：摆动 式扰流板9装在扰流板轴10上，不需要减速时扰流板9紧贴叶片表面处于复位状态，转速过 高需要减速时离心力驱动摆动式扰流板9打开，同时带动摆动式扰流板连杆8摆动，摆动式 扰流板连杆8受摆动限制扭簧11控制。转速降低时摆动限制扭簧11迫使摆动式扰流板9收 回复位。

5和6分别是扰流板1和扰流板3上的柄，柄中带有弧形长孔，柄只起连接作用——将 扰流板与连动杆之间灵活地滑动连接。

所述的伸缩扰流板改变叶片升力的气动减速方法，其特征在于扰流板的伸出、缩回也可 以用电机驱动，取代离心力驱动伸出、扭簧控制缩回。

有益效果

在额定风速以下的风速时，风轮正常运转，图1、图2是正常运转时的示意。这时可伸缩 的扰流板处于缩回状态，是靠扭簧4的反方向扭力迫使连动杆2处于复位状态。这时叶片表 面顺滑，无凸起物，气流顺滑，正常产生升力，正常发挥空气动力。

当大风下风轮转速加快、超过额定转速时，就需要限制转速、限制风轮功率，需要叶片 上的升力受限，这时叶片上安装的扰流板伸缩机构将起作用。作用机理是，扰流板1上的离 心力克服扭簧4的扭力驱动扰流板1向外伸出，扰流板1是较重的那一块，要让它朝外伸出， 因为离心力是向外的(离开风轮轴中心)。在连动杆2带动下扰流板3(较薄的那一块)同时 向反方向(向里面)伸出。图3、图4是运行时扰流板伸出的示意图。

产生的效果是：

装了扰流板的那一段叶片上的升力被破坏，该叶片段空气动力立即下降。由于扰流板是 有一定长度的，并不一定要布满整个叶片展向(长度方向)，所以那部分没有扰流板的叶片段 升力没被破坏、还能正常出力，因此整个风轮出力虽然有下降，但并不会停止运转，当达到 动态平衡时，风轮就处在某个出力状态正常运转，只是转速和出力受到控制，不再随风速增 高而增大。扰流板的伸出幅度是受离心力影响的，转速越高、离心力越大，扰流板伸出幅度 也越大，直至全部伸出。扰流板伸出后不仅破坏那段叶片上的升力，还会增加阻力，阻力也 起到限速作用。伸出越多阻力越大。

当风速下降、转速下降时，扰流板又会在扭簧4的扭力作用下收回，转速下降多则收回 幅度大，下降到一定程度就完全缩回。又恢复到不受限制地发挥尽可能大的出力的姿态。

因为扭簧的扭力是线性的，所以扰流板的伸出、缩回的动作幅度是连续的，这样使得风 轮转速处在受控的动态平衡中，既能运转，又受限制。这一点也正是需要的。

有益效果的说明：

当叶片表面出现较高的凸起物时，就会使得叶片表面气流发生分离，形成湍流，破坏叶 片在运行时产生的升力，从而改变空气动力。图5是叶片表面顺滑时的情形，图6是凸起物 扰流板使得叶片表面气流发生分离、出现湍流，升力被破坏。图18也是凸起物使得叶片表面 气流发生分离、出现湍流，升力被破坏，只不过图18的凸起物的摆动式扰流板。这就是本技 术的空气动力学原理。根据这个原理产生的气动减速方法。

本技术所提供的方法，结构简单，动作机构不复杂精密，为受力复杂且工况严酷的风轮 实现气动减速提供了一种不易发生损坏的简单可靠结构及方法。本机构是一种简单的铰链、 摆杆机构，结实而可精可粗，实用且成本低，能经受大的载荷；扭簧既能限制扰流板伸出， 又能让扰流板自动复位。调节过程可以自动进行而不依赖电子自控***。本技术方法除微型 (1千瓦以下)机由于叶片尺寸小难以装入机构、不大适合外，几千瓦以上功率级别的升力型 垂直轴风力发电机都是适用的，叶片空腔越大越越容易采用，适合大功率的风力机。

图中符号说明

图中伸缩式扰流板机构必须是装在叶片空腔内。1是伸缩扰流板，较重的那一块，3也 是伸缩扰流板，较薄的那块，两块扰流板分别同时伸出、缩回。

2是连动杆，通过扰流板1上的柄6、扰流板3上的柄5分别连接到扰流板1、3；柄6、柄5上有弧形长孔。

扰流板1、扰流板3、连动杆2、扭簧4，连同扰流板上的柄5、6组成伸缩扰流板机构。

7是叶片，每个图上的任意一个叶片都用7代表，断面图上7也都是代表叶片断面。

8是摆动式扰流板的连杆，如图11、12到图17中所示。连杆8与摆动式扰流板互相牵动。

9是摆动式扰流板，如图11、12到图17中所示，在图中是单面扰流板。摆动式扰流板绕 是轴10摆动的。

10是摆动式扰流板轴，对所有的扰流板都是，如图11、12到图17中所示。

11是摆动式扰流板限制扭簧，如图11、12、13、14中所示。

12是双面摆动式扰流板驱动装置，如图15、16、17中所示。驱动装置可以是电机、齿轮 及其轴等。

13是B面的摆动式扰流板，如图16、17中所示。双面摆动式扰流板才会用到扰流板13。

14是支臂。叶片靠它支撑，支臂一头连接叶片，另一头连接转轴15，图1～4所示。显示 平视全貌和风轮俯视图时用到(下同)。

15转轴。也代表机身。如图1～4所示。

16发电机。如图1～4所示。

17塔柱。如图1～4所示。

附图说明

图1整体平视示意图。表现直叶片的H型升力型垂直轴风力机样貌。

图2俯视示意图。俯视风轮，表现叶片断面，叶片、支臂、机身关系，平常运行状态。

图3整体平视示意图。表现了直叶片上扰流板伸出的情形。

图4俯视示意图。表现了叶片断面上扰流板伸出的情形。风轮处于受限运行状态。

图5表现叶片在表面无凸起物的光滑状态，表现断面，叶片弦线与来流有一个夹角，产 生升力的状态。竖箭头和FL表示升力，水平箭头和V表示风速(下同)。

图6表现叶片在表面有凸起物的不顺滑状态，用断面示意图表现来流遇到凸起物产生气 流分离、湍流从而破坏升力的情形。没有了升力，表示升力被破坏。

图7伸缩扰流板机构装在叶片的靠后缘部位的情形。用断面示意图表现扰流板处于未伸 出的复位状态。

图8伸缩扰流板机构装在叶片的靠后缘部位的情形。用断面示意图表现扰流板伸出的状 态(未完全伸出)。

图9伸缩扰流板机构装在叶片的中间部位的情形。用断面示意图表现扰流板处于未伸出 的复位状态。装在中间部位是可选应用方式之一。

图10伸缩扰流板机构装在叶片的中间部位的情形。用断面示意图表现扰流板伸出的状 态。

图11摆动式扰流板机构，断面示意图。用断面示意图表现收回复位时的状态。摆动式是 可选应用方式之一。

图12摆动式扰流板机构，断面示意图。用断面示意图表现打开时的状态。

图13风轮俯视示意图。叶片上安装了摆动式扰流板机构的风轮俯视。用断面示意图表现 复位时的状态。

图中左边的箭头是风速。

图14风轮俯视示意图。叶片上安装了摆动式扰流板机构的风轮俯视。用断面示意图表现 打开时的状态。

图15双面摆动式扰流板机构，断面示意图。收回复位时的状态。双扰流板是可选的应用 方式之一。

图16双面摆动式扰流板机构，断面示意图。双面扰流板打开时的情形。

图17风轮俯视示意图。双面摆动式扰流板机构的风轮俯视。用断面示意图表现双面扰流 板打开时的情形。

图18表现叶片在表面出现摆动式扰流板凸起时气流不顺滑的状态，用断面示意图表现来 流遇到另一形式的凸起物，同样产生气流分离和湍流、从而没有了升力的情形。

具体实施方式

基本的实施方式，是离心力法。不用电机驱动。伸缩扰流板方式，即扰流板抽屉式平动 方式，利用离心力驱动扰流板伸出，利用扭簧复位。伸缩式扰流板机构，由扰流板1、连动杆 2、扰流板3(图7～10中较薄的那个)扭簧4、通过扰流板柄6、柄5连接组装而成，在超额转速时利用离心力驱动扰流板伸出，低于超额定转速时靠扭簧扭力复位。较重的扰流板1向外伸出，带动较轻的扰流板3向内(从另一面)伸出，双面伸出。可以动态调整。当然，也 可以设计成单面伸出，只用一面扰流板，单面伸出扰流板也可起到破坏升力的作用。离心力 法的好处是无需采用电刷滑环的转动导电装置，不用电动机，不用传动机构(含轴承座等)，也无需传感器、计算机处理单元执行元件等控制电路，结构简单，成本低。但需要准确计算扭簧参数。使用日久后扭簧会有疲劳。为防机构动作卡死还需设置防卡措施。

第二种离心力法的实施方式，是采取摆动式扰流板。摆动式扰流板是绕轴摆转，利用离 心力打开，利用扭簧的扭力复位。同样不用电机。只要不用电机，就都可以省去电刷滑环的 转动导电装置、传动机构等零部件。如图11、12、14所示，只有一个扰流板9，扰流板9装在叶片外侧，绕扰流板轴10摆动。摆动式扰流板连杆8一头连接扰流板9，另一头装在自身的轴上，连杆8受扭簧11的控制，如图11、图12。图13是摆动式扰流板复位运行的情形； 图14是单面的扰流板9向外打开、受限制运行时的情形。原理同上，当超额转速时离心力克 服扭簧扭力驱动扰流板9自动向外打开；当转速下降、离心力不足以克服扭簧扭力时扰流板9 自动收回，直至复位。打开和收回的幅度与离心力大小正相关。相比抽屉式平动的伸缩式扰流板，摆动式扰流板的好处是不易发生卡死问题。

第三种实施方式是，电机驱动，电控打开收回方式。如图15、16、17中，驱动装置12给摆动式扰流板提供打开、复位驱动力。驱动装置就是普通常用的电动机、传动机构。在这3个图中的摆动式扰流板是一对，叶片两侧一面一个，由扰流板9、扰流板13组成，向叶片的里侧、外侧两个方向同时打开、同时收回，摆动式扰流板连杆8顶出摆动式扰流板，两个连杆8分别向两个方向顶出摆动式扰流板，收回时也是这两个连杆拉8回扰流板9、13。要让两块扰流板在两个面向两个不同方向打开，需要采用一定的机械机构，例如简单的方式是可采 用中介齿轮来换向——采用3个齿轮，一个顺时针转，经过中介齿轮后另一个逆时针转，这 属于通用技术，此不赘述。

当然，也可以是只用一块扰流板——驱动装置只驱动单面扰流板，也有破坏叶片上的升 力的作用，只不过双面扰流的作用更彻底些。凡是电控的实施方式，都需要转速、风速传感 器来提供控制条件，由计算机单元处理信息，作出判断后发出控制指令。

第四种实施方式也是电驱、电控方式，是对由扰流板1、连动杆2、扰流板3、扭簧4、通过扰流板柄6、柄5连接组装而成的伸缩式(类似抽屉式的平动方式)扰流机构加装电动驱动装置，不用离心力驱动模式。只要是电驱、电控驱动，就需要电刷滑环、传感器、计算机 单元(如PLC、单板机或单片机)、执行元件等。

扰流板机构在叶片空腔内安装的位置，是靠中部安装还是靠后缘安装(图7、图9)，效 果会略有不同，靠中部安装运行影响可能会略大些，需要实施中实验积累数据。

以上两种离心力驱动方式，两种电驱电控方式，性质都属于同一种解决方法——装在叶 片的扰流板能打开、收回。正常运行时扰流板在复位状态，不影响叶片运行；转速超额时扰 流板打开，干扰、破坏叶片上的升力，减小风能获取、降低风轮转速；转速又下降时收回扰 流板，回到复位运行状态。

Claims (5)

1.一种伸缩扰流板改变叶片的升力的气动减速方法，将扰流板装在升力型叶片上，伸出扰流板时，可以破坏叶片上的升力从而实现气动减速，不需要减速时，扰流板收回，不影响叶片运行。

2.由权利要求1所述的伸缩扰流板改变叶片的升力的气动减速方法，其特征是：由连动杆(2)、扰流板(1)、扰流板(3)、扭簧(4)组成扰流板伸缩机构，该机构装在叶片空腔中。

3.由权利要求2所述的伸缩扰流板改变叶片的升力的气动减速方法，其特征是：连动杆(2)是可摆动的，连动杆(2)受中心的扭簧(4)控制。当扰流板(1)受离心力驱动而伸出时，通过连动杆(2)带动扰流板(3)向另一面同时伸出。

4.由权利要求2所述的伸缩扰流板改变叶片的升力的气动减速方法，其特征是：扭簧4施加在连动杆(2)上的力控制着连动杆始终有收回的趋势，当离心力减小到不足以克服扭簧(4)的扭力时，扭簧(4)迫使连动杆(2)复位，带动扰流板(1)、(3)同时缩回。

5.由权利要求1所述的伸缩扰流板改变叶片的升力的气动减速方法，另一种扰流板方式其特征是：采用摆动式扰流板(9)装在扰流板轴(10)上，不需要减速时扰流板(9)紧贴叶片表面处于复位状态，转速过高需要减速时离心力驱动摆动式扰流板(9)打开，同时带动摆动式扰流板连杆(8)，摆动式扰流板连杆(8)受摆动限制扭簧(11)控制。转速降低时摆动限制扭簧(11)迫使摆动式扰流板连杆(8)往回收并带动摆动式扰流板(9)收回、复位。