阅读说明：本技术 一种被动控制的可动叶尖小翼装置 (Passively controlled movable winglet device ) 是由 杨瑞 张�浩 吴卓琦 刘爱瑜 郭瑞 张康康 全佩 于 2018-10-24 设计创作，主要内容包括：本发明一种被动控制的可动叶尖小翼装置,由叶片(2)、小翼(1)组成,小翼(1)安装叶片(2)一侧,小翼(1)与叶片(2)之间设扭转支架(3),小翼(1)与扭转支架(3)之间设扭转弹簧(4),小翼翼根(7)安装小翼连接扣(10),小翼连接扣(10)上安装有小翼锁死装置(13),叶片(2)两腹板之间安装支撑板(17)支撑板(17)中心位置安装轴承(18),轴向弹簧(5)两端分别连接支撑板(17)及扭转支架(3),在轴向弹簧(5)上分别设置轴向弹簧固定凸台(19)与轴向弹簧轴转动槽(15)。本发明有益效果：结构设计合理、简单、制作成本低、便于维护、能够保护叶片免受干扰、使用范围广泛、节能环保。(The invention discloses a passively controlled movable winglet device which comprises a blade (2) and a winglet (1), wherein the winglet (1) is installed on one side of the blade (2), a torsion support (3) is arranged between the winglet (1) and the blade (2), a torsion spring (4) is arranged between the winglet (1) and the torsion support (3), a winglet connecting buckle (10) is installed on a winglet wing root (7), a winglet locking device (13) is installed on the winglet connecting buckle (10), a support plate (17) is installed between two webs of the blade (2), a bearing (18) is installed in the center of the support plate (17), two ends of an axial spring (5) are respectively connected with the support plate (17) and the torsion support (3), and an axial spring fixing boss (19) and an axial spring shaft rotating groove (15) are respectively arranged on the axial spring (5). The invention has the beneficial effects that: the blade has the advantages of reasonable and simple structural design, low manufacturing cost, convenience in maintenance, capability of protecting the blades from interference, wide application range, energy conservation and environmental protection.)

一种被动控制的可动叶尖小翼装置

技术领域

本发明涉及风力机发电技术领域，具体涉及一种被动控制的可动叶尖小翼装置。

背景技术

风力机正常运行时，叶尖附近压力面的气流会绕过叶片的尖部流向吸力面，产生叶尖涡，从而导致叶尖推力降低，风力机输出功率降低。在叶尖部分加装小翼，用以阻止上下表面的空气绕流现象，降低因叶尖涡造成的诱导阻力，减少绕流，增大叶片上下表面压差，从而达到提升推力，增大功率输出的效果。通过数值模拟发现固定式小翼在低风速时对风力机功率放大作用较小，反而会增加风力机启动风速，因此固定式小翼不适合风力机在低风速下运行。

现有技术中虽然设计了一种可以转动的小翼，但是该设计小翼的控制方式为主动控制，通过舵机控制小翼的旋转，控制方式成本较高，系统复杂，不便于维修，增加了叶片质量，不适合大型风力机控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种结构设计合理、简单、制作成本低、便于维护、能够保护叶片免受干扰、使用范围广泛的节能环保型被动控制的可动叶尖小翼装置。

本发明通过扭力弹簧控制小翼1与叶片2的夹角，主要的原理是:弹簧力与改变扭转角成一定的线性关系，扭转角也随风力的大小成线性状态改变，当风力与弹簧扭力相等时，小翼1处于平衡状态，可以起到功率放大作用。

本发明一种被动控制的可动叶尖小翼装置，由叶片2、小翼1，所述的小翼1由小翼翼尖6、小翼翼根7、小翼翼根腹板8、主梁9组成，所述的小翼 1安装于叶片2的吸力面一侧，在小翼1与叶尖2之间设置有辅助机构扭转支架 3，所述的小翼1与扭转支架3之间设置有用于控制小翼1扭转的扭转弹簧4，具体的扭转弹簧4两端分别连接小翼翼根腹板8和扭转支架3，所述的叶片2与扭转支架3之间设置有用于控制扭转支架3转动的轴向弹簧5。所述的扭转支架 3上设置扭转支架连接扣11，小翼翼根7安装有小翼连接扣10，小翼连接扣10 与扭转支架连接扣11通过扭转轴12连接，小翼连接扣10上安装有小翼锁死装置13。所述的叶片2在r/R＝0.95处两腹板18之间安装支撑板17，支撑板17 垂直于叶片腹板18，在支撑板17的中心位置安装一个用来固定扭转支架3的轴向弹簧轴14的轴承16，轴向弹簧5的两端分别连接支撑板17及扭转支架3，在轴向弹簧轴14上分别设置轴向弹簧固定凸台19与轴向弹簧轴转动槽15。

所述的小翼锁死装置13为在小翼连接扣10的外环铸造一个能够随小翼1 一起转动的凸台。

本发明一种被动控制的可动叶尖小翼装置的有益效果；

1)所述的小翼1安装于叶片2的吸力面一侧，小翼要实现在两个平面内按照一定顺序转动，在小翼1与叶片2之间设置有辅助机构扭转支架3，所述的小翼1与扭转支架3之间设置有用于控制小翼1扭转的扭转弹簧4，具体的扭转弹簧4两端分别连接小翼翼根腹板8和扭转支架3，所述的叶片2与扭转支架3之间设置有用于控制扭转支架3转动的轴向弹簧5，当风速较低时，小翼1通过延长叶片提高风力机风能利用系数，当风速较高时，小翼在风力作用下产生转动，驱动扭转弹簧4，储存转动能量力矩，当风力与扭转弹簧4扭力相等时，小翼1与叶片伸展成一定角度，小翼处于平衡状态，在该状态下小翼1能够减弱叶片2 叶尖绕流，减小叶尖涡强度，增大叶片2上下表面的压差，提高风力机输出功率，风力减小后，扭转弹簧4释放能量，将转动力矩反向传给小翼1，使小翼1 成比例的复位，直到恢复到原始固定状态，当风速超过切出风速后，风力与轴向弹簧5扭力成正比，轴向弹簧5带动扭转支架3转动90°，起到叶尖扰流器的作用，减小叶片2载荷及风轮轴向推力；

2)该装置不用改变叶片2现有结构，只需在叶片2叶尖位置安装小翼1即可，小翼1能够减小叶尖绕流强度，降低叶尖涡强度，改善下游风品质，提高风能利用系数，与现有风力机叶尖小翼相比，本申请的小翼可以随风速的大小调节小翼1与叶片2展向的夹角，当风速较低时也能够通过延长叶片2来增加叶片2的气动性能，风速较高时能够通过轴向弹簧旋转90°，形成叶尖扰流器，增大叶片2在极端条件下的抗载荷能力，该小翼控制方式为被动控制，运用扭力弹簧扭转角与风力的线性关系控制小翼的张开角度，控制方式简单，维修方便，成本低，适合大型风力机使用。

附图说明

图1.带有叶尖小翼风力机示意图。

图2.小翼结构示意图。

图3.小翼与叶片连接示意图。

图4.低风速小翼转动示意图。

图5.较高风速小翼转动示意图。

图6.切出风速小翼转动示意图。

图7.扭转支架示意图。

图中：小翼1、叶片2、扭转支架3、扭转弹簧4、轴向弹簧5、小翼翼尖6、小翼翼根7、小翼翼根腹板8、主梁9、小翼连接扣10、扭转支架连接扣11、扭转轴12、小翼锁死装置13、轴向弹簧轴14、轴向弹簧轴转动槽15、轴承16、支撑板17、叶片腹板18、轴向弹簧固定凸台19。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步说明。

本发明由小翼1、叶片2、扭转支架3、扭转弹簧4、轴向弹簧5、小翼翼尖 6、小翼翼根7、小翼翼根腹板8、主梁9、小翼连接扣10、扭转支架连接扣11、扭转轴12、小翼锁死装置13、轴向弹簧轴14、轴向弹簧轴转动槽15、轴承16、支撑板17、叶片腹板18、轴向弹簧固定凸台19组成，具体的结构包括叶片2、小翼1，所述的小翼1由小翼翼尖6、小翼翼根7、小翼翼根腹板8、主梁9组成，所述的小翼1安装于叶片2的吸力面一侧，在小翼1与叶尖2之间设置有辅助机构扭转支架3，所述的小翼1与扭转支架3之间设置有用于控制小翼1扭转的扭转弹簧4，具体的扭转弹簧4两端分别连接小翼翼根腹板8和扭转支架3，所述的叶片2与扭转支架3之间设置有用于控制扭转支架3转动的轴向弹簧5。所述的扭转支架3上设置扭转支架连接扣11，小翼翼根7安装有小翼连接扣10，小翼连接扣10与扭转支架连接扣11通过扭转轴12连接，小翼连接扣10上安装有小翼锁死装置13。所述的小翼锁死装置13为在小翼连接扣10的外环铸造一个能够随小翼1一起转动的凸台。所述的叶片2在r/R＝0.95处两腹板18之间安装支撑板17，其中R代表整个叶片2的长度即叶根到叶尖的距离，r代表从叶根到支撑板17的距离。支撑板17垂直于叶片腹板18，在支撑板17的中心位置安装一个用来固定扭转支架3的轴向弹簧轴14的轴承16，轴向弹簧5的两端分别连接支撑板17及扭转支架3，在轴向弹簧轴14上分别设置轴向弹簧固定凸台19与轴向弹簧轴转动槽15。

如图1所示，这种减少叶尖涡的小翼1安装在叶片2叶尖吸力面侧，如图4，图5，图6所示小翼1与风力机叶片展向夹角为β，β的范围为0°-55°；小翼1与扭转支架3的夹角为ε，ε的范围为0°-90°。小翼1沿着气流方向后折，小翼1的吸力面朝向风轮轴心，小翼的压力面朝向风轮外侧。如图2所示，小翼1与叶尖翼型相同，小翼翼根7弦长与叶尖翼型弦长相等，小翼翼尖6弦长为小翼翼根7弦长的3/5，小翼翼尖6截面翼型最大厚度为小翼翼根7截面翼型最大厚度的4/5。为减小小翼1质量，增大小翼1强度，小翼1采用箱型梁结构，小翼腹板8及主梁9材料选用强化铝板，小翼铺层材料选用玻璃钢复合材料。

扭转弹簧4的两端分别连接小翼翼根腹板8和扭转支架3，叶片2在 r/R＝0.95处两腹板之间安装支撑板17，支撑板17垂直于叶片腹板18，在支撑板17的中心位置安装一个轴承16，用来固定扭转支架3的轴向弹簧轴14，轴向弹簧5的两端分别连接支撑板17及扭转支架3。

如图4所示，当风速较低(3m/s＜V_∞≦7m/s)时，作用在小翼1上的风力较小，不能够抵消扭转弹簧4固有扭力，小翼1与叶片2展向的夹角为0°，通过增大风轮扫掠面积来提高风能利用系数。如图5所示，当风速较高时(7m/s ＜V_∞≦24m/s)，小翼1受到的风力逐渐增大，当风力能够抵消扭转弹簧4的固有扭力时，小翼1和叶片2展向的夹角会随风速逐渐增大,其夹角β₁与风速的关系为：

式中β₁—小翼于叶片展向夹角，V_∞—来流风速，C—小翼弦长，C_L—升力系数， C_D—阻力系数，a—轴向诱导因子，α—小翼翼型攻角，—小翼入流角，ρ—空气密度，d₁—扭转弹簧丝直径；D₁—扭转弹簧平均直径；n₁—扭转弹簧有效工作圈数；E₁-扭转弹簧材料的弹性模数。通过查阅相关手册选取d₁、D₁、n₁、E₁绘制风速与扭转弹簧4扭转角关系曲线。如图6所示，当风速超过切出风速(25m/s ≦V_∞)时，小翼1受到的切向力能够抵消轴向弹簧5的固有扭力时，小翼1沿着轴向弹簧轴14旋转90°，形成叶尖扰流器，降低叶片2极限载荷，减少风轮轴向力。小翼1沿着轴向弹簧轴14转过的角度为β₂，β₂与风速的关系为：

式中β₁—小翼与叶片展向夹角，V_∞—来流风速，C—小翼弦长，C_L—升力系数，C_D—阻力系数， a—轴向诱导因子，α—小翼翼型攻角，—小翼入流角，ρ—空气密度，X_P—翼型的压力中心，X_C—扭转中心,d₂—轴向弹簧丝直径，D₂—轴向弹簧平均直径， n₂—轴向弹簧有效工作圈数,E₂-轴向弹簧丝材料的弹性模数。通过查阅相关手册选取d₂、D₂、n₂、E₂绘制风速与扭转弹簧4扭转角关系曲线。

如图3所示：小翼翼根8安装有小翼连接扣10，该小翼连接扣10与扭转支架连接扣11通过扭转轴12连接。小翼连接扣10装有小翼锁死装置13，该装置在小翼连接扣10的外环铸造一个凸台，该凸台随着小翼1一起转动，当小翼1 转动55°时，凸台也转动55°，此时凸台顶到扭转支架3，使小翼1不能够转动。当风速减小时，小翼1上的作用力减小，扭转弹簧4上的扭矩减小，扭转弹簧4释放能量，扭转弹簧4按照一定比例回弹，反方向驱动小翼1旋转，当风速小于某临界值时，扭转弹簧4复位至原始状态，小翼1与叶片2展向的夹角β＝0°，小翼1通过增加风轮扫略面积来提高叶片2的气动性能。

如图3，图5所示，当风速超过24m/s最大值时，扭转弹簧4锁死，不能够继续转动，小翼1与叶片2展向夹角β＝55°不再变化。如图3所示，轴向弹簧 5开始转动，轴向弹簧5的一端与叶片2连接，另一端与扭转支架3连接，扭转支架3通过轴向弹簧轴14带动小翼1转动。如图3，图6所示，当风速超过25m/s 时，轴向弹簧5扭转90°，此时轴向弹簧轴14与轴向弹簧轴转动槽15卡死，轴向弹簧5不能够继续转动，扭转支架3带动小翼1转动90°形成扰流板，减少风轮轴向力，减少叶片2载荷。

当风速小于25m/s时，由于轴向弹簧5材料弹性模数较大，轴向弹簧5首先释放能量，按照一定的比例开始回弹，轴向弹簧5带动扭转支架3及小翼1 反方向转动，恢复到轴向弹簧5固有位置。