桨叶前缘带旋转圆柱的水平轴风力机.pdf

本发明涉及一种桨叶前缘带旋转圆柱的水平轴风力机。它包括竖直安装的塔架、安装在塔架顶端的水平轴机箱、位于机箱前端的桨叶和轮毂或导流罩。每个桨叶前缘装有一根可控的绕自身轴线正向或反向旋转的圆柱体，而且该旋转圆柱与桨叶一起随机箱中的转子公转。通过调节旋转圆柱体的旋转转速和方向，控制气流在桨叶上的流动分离，提高风力机桨叶的升阻比，从而达到有效利用风能的目的。

1、  一种桨叶前缘带旋转圆柱的水平轴风力机，包括一根竖直安装的塔架(5)、安装于塔架(5)顶端的水平轴机箱(4)、位于机箱(4)前端的桨叶(1)和轮毂(3)或导流罩(6)，其特征在于所述的每个桨叶(1)前缘装有一根可控的绕自身轴线正向或反向旋转的圆柱体(2)，而且该旋转圆柱(2)与桨叶(1)一起随轮毂(3)或机箱(4)内的转子(14)绕风力机水平轴旋转。

2、  根据权利要求1所述的桨叶前缘带旋转圆柱的水平轴风力机，其特征在于所述的旋转圆柱(2)其直径为桨叶(1)截面翼型弦长的0.05～1.5倍，桨叶(1)与旋转圆柱(2)之间留有圆柱(2)截面直径0.0001～0.2倍的缝隙δ。

3、  根据权利要求1所述的桨叶前缘带旋转圆柱体的水平轴风力机，其特征在于所述的旋转圆柱(2)由安装在轮毂(3)或机箱(4)内转子(14)上的电动机(15)驱动正向或反向旋转，圆柱体(2)表面线速度U_C为来流风速U的0～10倍。

4、  根据权利要求1所述的桨叶前缘带旋转圆柱的水平轴风力机，其特征在于所述的桨叶(1)通过若干个轴承(9)和轴承套(10)与旋转圆柱(2)转动连接，保证桨叶(1)与旋转圆柱(2)在弦向及径向的相对位置保持在原定范围内；轴承套(10)与桨叶(1)固连，旋转圆柱(2)与轴承套(10)之间嵌装轴承(9)。

5、  根据权利要求4所述的桨叶前缘带旋转圆柱的水平轴风力机，其特征在于所述的旋转圆柱(2)与桨叶(1)之间采用2～N个轴承(9)转动连接，N为大于2的自然数，所述的轴承(9)选用深沟球轴承或者角接触球轴承。

桨叶前缘带旋转圆柱的水平轴风力机
技术领域
本发明涉及一种风力机，特别是一种桨叶前缘带旋转圆柱的水平轴风力机，可提高风力机的风能利用率。
技术背景
目前，水平轴风力机的翼型主要选自航空翼型，为了提高桨叶吸收风能的效率，一般采用高升阻比的翼型，桨叶沿高度做成扭曲的。当风力机转速一定时，随着风速的增加，气流在桨叶上的攻角也随之增加，直到气流在桨叶表面发生流动分离，桨叶失速，风能吸收率骤降，输出功率也迅速减少。风力机一般都有一套控制系统来调节输出功率和转速，变桨距风力机制造成本高，目前制造变桨机的厂家也还较少。定桨距风力机通过调节风力机的转速来适应风速的变化，以提高升力，增加风能的吸收率。在风轮一定的转速的限制下，定桨距风力机随来流风速的增加较容易出现失速。风力机的翼型选定以后，风速大小一定时，定桨距风力机翼型的最大升阻力比值也有所限制，不能尽可能多的捕捉到风能。
发明内容
本发明目的在于针对上述根本性的问题而提出一种桨叶前缘带旋转圆柱的水平轴风力机，提高风力机的风能利用率。
为了达到上述目的，本发明的构思是：前缘带旋转圆柱的翼型能够较大幅度地提高升力系数减小阻力系数，在一定的风速和来流攻角下，增加翼型前缘圆柱的旋转速度，可以很好地控制翼型表面的流动分离，有效地提高其升阻力比值，见图4。参考文献：V.J.MODI，MovingSurface Boundary-Layer Control(运动表面边界层控制)。
然而，到目前为止，上述前缘带旋转圆柱的翼型都只是在流场中作平移运动，如果将这种前缘带旋转圆柱的翼型运用到水平轴风力机上，就能够提高风力机翼型的升阻力比值，控制气流在桨叶表面的流动分离，从而增加风能的吸收效率。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种桨叶前缘带旋转圆柱的水平轴风力机，包括一根竖直安装的塔架、安装于塔架顶端的水平轴机箱、位于机箱前端的桨叶和轮毂或导流罩。所述的每个桨叶前缘装有一根可控的绕自身轴线正向或反向旋转的圆柱，而且该旋转圆柱与桨叶一起随轮毂或机箱内的转子绕风力机水平轴公转。
上述旋转圆柱直径为桨叶截面翼型弦长的0.05～1.5倍，桨叶与旋转圆柱之间留有圆柱截面直径0.0001～0.2倍左右的缝隙。
上述旋转圆柱由安装在轮毂或机箱内转子上的电动机驱动正向或反向旋转，圆柱表面线速度U_C为来流风速U的0～10倍。
上述桨叶通过若干个轴承和轴承套与旋转圆柱转动连接，保证桨叶与旋转圆柱在弦向及径向的相对位置保持在原定范围内；轴承套与桨叶固连，旋转圆柱与轴承套之间嵌装轴承。
上述旋转圆柱与桨叶之间采用2～N个轴承转动连接，N为大于2的自然数，轴承选用深沟球轴承或者角接触球轴承。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性突出特点和显著的优点：本发明提出的风力机，在可利用的风速范围内，调节桨叶前缘的旋转圆柱的转速，提高桨叶的升阻力比值，有效的提高风能利用率；当风速过大时，旋转圆柱停止转动或者反向旋转，使桨叶失速，达到控制风力机功率输出的目的，相当于变桨距风力机改变桨叶攻角的作用。
附图说明
图1是桨叶前缘带旋转圆柱的水平轴风力机的结构示意图。
图2是带有尾舵调向装置的中小型的桨叶前缘带旋转圆柱的水平轴风力机的结构示意图。
图3是桨叶前缘带旋转圆柱的水平轴风力机的一段桨叶的剖面图，图中(a)一段桨叶，图(b)为A-A剖面图。
图4是前缘带旋转圆柱的翼型在一定来流攻角(20°)下旋转圆柱不同转速时表面的流线图。
图5是桨叶与旋转圆柱的连接剖面图，图中(a)为外形图，图(b)为B-B处剖面图。
图6是桨叶与旋转圆柱连接处示意图。
图7是图2中风力机桨叶根部与转子的连接示意图。
图8是图1中风力机桨叶根部示意图及桨叶根部轴承安装剖面图，其中图(b)是图(a)中C-C处剖面图。
图9是在可利用的风速范围内，桨叶前缘旋转圆柱正向旋转及翼型表面气流附着示意图。
图10是在过大风速时，桨叶前缘旋转圆柱反向旋转及翼型表面失速示意图。
具体实施方式
实施例一：参见图1，本桨叶前缘带旋转圆柱的水平轴风力机，包括塔架5、安装在塔架5顶端的水平轴机箱4、位于机箱4前端的轮毂3和固定安装在轮毂3上的桨叶1，每个桨叶1前缘装有一根可控的绕自身轴线正向或方向旋转的旋转圆柱2，而且该旋转圆柱2与桨叶1一起随轮毂3绕风力机水平轴旋转。
实施例二：参见图2，本桨叶前缘带旋转圆柱的水平轴风力机，包括一根竖直安装的塔架5、安装在塔架5顶端的水平轴机箱4、位于机箱4后部的尾杆7和尾翼8、位于机箱4前端的桨叶1和导流罩6，每个桨叶1前缘装有一根可控的绕自身轴线正向或反向旋转的旋转圆柱2，而且旋转圆柱2与桨叶1一起随机箱4中转子14绕风力机水平轴旋转。
在图1、2中，桨叶1和其前缘的旋转圆柱2之间留有一定的缝隙δ。δ约1mm～2cm，视风力机大小而定，保证旋转圆柱2相对于桨叶1独立绕自身轴线旋转，如图3中部分段桨叶1的剖面图所示。图1中桨叶1和旋转圆柱2通过轮毂3和机箱4内的传动轴连接，桨叶1根部逐渐过渡为圆柱，以增加和轮毂3连接处的结构强度和刚度。在桨叶1根部与轮毂3连接处，旋转圆柱2与桨叶1之间装有轴承9，如图8所示。旋转圆柱2由轮毂3内的电动机15驱动可正向或反向以一定速度旋转。图2中风力机桨叶1直接与转子14固连，每个旋转圆柱2各由一个电动机15驱动正向或反向旋转，如图7所示。带有尾杆7和尾翼8组成的调向装置使风力机迎风。图1、2中风力机桨叶1与轴承套10通过螺栓11固连，轴承套10与旋转圆柱2之间嵌装轴承9，保证旋转圆柱2随桨叶1一起绕风轮旋转水平轴公转的同时可绕圆柱自身轴线自转，同时保证风力机在各种荷载作用下，桨叶1与旋转圆柱2之间的间隙δ不变，同时提高桨叶1和旋转圆柱2的整体刚度。旋转圆柱2可以是阶梯轴，也可以做成分段的，每段轴之间通过键12和固定螺钉13连接，如图6所示。桨叶1和旋转圆柱2从根部到叶尖末端，每隔一段距离布置这样一个由轴承9和轴承套10组成的连接，如图5所示。当风速较小，在可利用风速范围内时，电动机15驱动旋转圆柱2正向旋转，提高桨叶的升阻力比值，使风轮有效地吸收风能，如图9所示。当风速过大，发电机过载运行时，电动机15驱动旋转圆柱2反向旋转，使桨叶1失速，控制风力机的功率输出，如图10所示。