一种后掠角可自适应调节的蛇形水平轴风力机叶片的制作方法

本发明属于风力发电技术领域，特别是涉及一种后掠角可自适应调节的蛇形水平轴风力机叶片。

背景技术：

目前，水平轴风力机叶片的阻力来源有两个，一个是气流与叶片表面摩擦所产生的剪应力，另一个是叶片表面因非对称压强分布所产生的压差阻力，在实际中，由于边界层的作用会使叶片后部的压力比无粘流时要小，因此形成压差阻力，而当流动发生分离时，分离区速度很小，从分离点开始压力基本不变，分离将在叶片后部形成分离区和尾流，并将导致很强的压差阻力。

因此，为了使阻力减小，则应该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，而将叶片单独设计成后掠式，在一定程度上确实可以提高叶片的气动特性，但是，传统的后掠式叶片，要么采用叶尖后掠式，要么采用整体后掠式，而无论是叶尖后掠式或是整体后掠式，叶片在转动过程中后掠角度都是固定不变的，而水平轴风力机叶片在工作中，叶片径向位置不同，则工作状态不同，对于后掠角度固定不变的形式，对叶片气动特性的提高程度有限，同时对于叶片的风能利用效率提升程度也比较有限。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种后掠角可自适应调节的蛇形水平轴风力机叶片，首次将仿生蛇形结构引入叶片设计中，叶片后掠角可随着转速进行自适应调节，使叶片气动特性得到进一步提高，同时使叶片的风能利用效率得到进一步提升。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种后掠角可自适应调节的蛇形水平轴风力机叶片，包括叶根段叶片、中间段叶片及叶尖段叶片，叶根段叶片和叶尖段叶片数量均为一个，中间段叶片数量若干；所述叶根段叶片上端与最下侧的中间段叶片下端相铰接，若干中间段叶片以铰接方式串联在一起，最上侧的中间段叶片上端与叶尖段叶片下端相铰接，由叶根段叶片、中间段叶片及叶尖段叶片共同构成完整叶片。

所述叶根段叶片与最下侧的中间段叶片之间、相邻中间段叶片之间、最上侧的中间段叶片与叶尖段叶片之间具有相同的铰接结构。

所述铰接结构包括转轴、限位销及限位槽，转轴位于铰接点处，所述限位销固装在铰接点上方的中间段叶片/叶尖段叶片底部，所述限位槽设置在铰接点下方的叶根段叶片/中间段叶片顶部，限位销位于限位槽内，限位销与限位槽配合对后掠角调节范围进行限定。

所述叶根段叶片的后掠角为0°，且为固定值。

所述中间段叶片及叶尖段叶片的后掠角调节范围均为0°～3°。

本发明的有益效果：

本发明的后掠角可自适应调节的蛇形水平轴风力机叶片，首次将仿生蛇形结构引入叶片设计中，叶片后掠角可随着转速进行自适应调节，使叶片气动特性得到进一步提高，同时使叶片的风能利用效率得到进一步提升。

附图说明

图1为本发明的一种后掠角可自适应调节的蛇形水平轴风力机叶片(后掠角自适应调节前)的结构示意图；

图2为本发明的一种后掠角可自适应调节的蛇形水平轴风力机叶片(后掠角自适应调节后)的结构示意图；

图中，1—叶根段叶片，2—中间段叶片，3—叶尖段叶片，4—转轴，5—限位销，6—限位槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1、2所示，一种后掠角可自适应调节的蛇形水平轴风力机叶片，包括叶根段叶片1、中间段叶片2及叶尖段叶片3，叶根段叶片1和叶尖段叶片3数量均为一个，中间段叶片2数量为五个；所述叶根段叶片1上端与最下侧的中间段叶片2下端相铰接，五个中间段叶片2以铰接方式串联在一起，最上侧的中间段叶片2上端与叶尖段叶片3下端相铰接，由叶根段叶片1、中间段叶片2及叶尖段叶片3共同构成完整叶片。

所述叶根段叶片1与最下侧的中间段叶片2之间、相邻中间段叶片2之间、最上侧的中间段叶片2与叶尖段叶片3之间具有相同的铰接结构。

所述铰接结构包括转轴4、限位销5及限位槽6，转轴4位于铰接点处，所述限位销5固装在铰接点上方的中间段叶片2/叶尖段叶片3底部，所述限位槽6设置在铰接点下方的叶根段叶片1/中间段叶片2顶部，限位销5位于限位槽6内，限位销5与限位槽6配合对后掠角调节范围进行限定。

所述叶根段叶片1的后掠角为0°，且为固定值。

所述中间段叶片2及叶尖段叶片3的后掠角调节范围均为0°～3°，由于后掠角的累加效应，可以使叶尖段叶片3的后掠角最大值达到18°。

下面结合附图说明本发明的一次动作过程：

在初始状态下，叶根段叶片1、中间段叶片2及叶尖段叶片3处于同一条直线上，此时完整叶片的后掠角为0度，同时风力机叶轮的旋转直径最大，且叶片的扫掠面积也最大，在此状态下风力机叶轮的启动性能最佳。当风力机启动后，叶轮的转动速度逐渐提高，中间段叶片2及叶尖段叶片3在旋转离心力的作用下，会根据转速的不同自动调节到合适的后掠角状态下，此时离心力与阻力的合力会达到平衡，此时该叶片在整体层面上可近似为一种具有渐变后掠角的叶片，从而吸收更多的风能，保证了风能的充分利用。

通过查取翼型手册，选取叶片翼型为对称翼型NACA0018，按照选取的翼型制作两组叶片，第一组叶片为传统的后掠式叶片，其后掠角为固定值，且后掠角为18°；第二组为本发明的后掠角可自适应调节的蛇形水平轴风力机叶片，两组叶片均为木质结构，叶片弦长为60mm，叶片展长为300mm；每组内的叶片数量均为三个。

分别将两组叶片组装到水平轴风力试验机上，先对安装有传统的后掠式叶片的水平轴风力试验机进行试验。在试验过程中，传统的后掠式叶片进行工作时，因其具有较大的尖速比，叶片与气流的合速度可以较高，但会牺牲风力机的启动性能，从综合风能利用率来看，其依然不高。

接下来，对安装有本发明叶片的水平轴风力试验机进行试验。在试验过程中，本发明的叶片工作时，且在风机启动前，叶根段叶片1、中间段叶片2及叶尖段叶片3处于同一条直线上，此时完整叶片的后掠角为0度，同时风力机叶轮的旋转直径最大，且叶片的扫掠面积也最大，在此状态下风力机叶轮的启动性能最佳，当风力机启动后，叶轮的转动速度逐渐提高，中间段叶片2及叶尖段叶片3在旋转离心力的作用下，会根据转速的不同自动调节到合适的后掠角状态下，此时离心力与阻力的合力会达到平衡，此时该叶片在整体层面上可近似为一种具有渐变后掠角的叶片，从而吸收更多的风能，保证了风能的充分利用。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。