CN117703665A - 被动式气动阻尼结构以及包括被动式气动阻尼结构的叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了被动式气动阻尼结构以及包括被动式气动阻尼结构的叶片，其中，被动式气动阻尼结构包括分叶和回转机构；分叶通过回转机构转动连接于风力涡轮机叶片本体的叶尖端，且分叶的截面轮廓呈气动翼型。本发明中，在恒定气流环境下，叶片无振动，分叶阻尼机制不起作用，在不稳定气流作用下会导致风力涡轮机叶片的振动，偏心定置的分叶会自动激发气动阻尼机制抑制风力涡轮机叶片的振动。气动翼型的气动中心和回转机构的旋转中心之间设有偏置距离，回转机构的旋转中心位于分叶的前缘点和气动中心连线上并靠近气动中心，使得分叶自动激发的气动阻尼机制对风力涡轮机叶片具有更好的振动抑制效果。

Description

被动式气动阻尼结构以及包括被动式气动阻尼结构的叶片

技术领域

本发明涉及风力发电设备的技术领域，尤其涉及到一种被动式气动阻尼结构以及包括被动式气动阻尼结构的叶片。

背景技术

现代风力涡轮机容量急剧增加，叶片长度突破百米量级，叶片属于定型的柔性悬臂梁结构，叶片的结构振动问题时常困扰着风力涡轮机的运行，承担了巨大的风险。

叶片振动的原动力在于叶片的气动激励，在不稳定气流的作用下，叶片产生波动的升力和阻力，这种波动和风环境、叶片气动型面、叶片刚度和弯扭耦合、人为控制引发的干扰等等因素相关。大部分情况下，这种激励并不是谐振状态，属于强迫振动，但是，在风力涡轮机的寿命期内，还是有很多机会可出现谐振的情况，谐振会导致叶片疲劳损伤甚至直接折断。

目前，抑制叶片振动的方法有气动阻尼和结构阻尼两种技术路线，每种技术路线有主动控制和被动控制的阻尼机构，但都存在各种各样的优缺点，实用性受到一定的限制。

就被动式气动阻尼而言，现有技术有在叶片的靠近叶根位置的最大弦长段布局涡流发生器的，然而，其作用效果并不是很好。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种被动式气动阻尼结构，其能够最大效率阻尼振动，实现在稳定气流场下能够正常做功发电，在不稳定气流下能够呈现对振动的气动阻尼的目的。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：

一种被动式气动阻尼结构，包括分叶和回转机构；

其中，所述分叶通过回转机构转动连接于风力涡轮机叶片本体的叶尖端，且分叶的截面轮廓呈气动翼型，气动翼型的气动中心和回转机构的旋转中心之间的偏置距离为距离D，回转机构的旋转中心位于分叶的前缘点和气动中心连线上并靠近气动中心。

本技术方案中，分叶通过回转机构转动连接于风力涡轮机叶片本体的叶尖端，在恒定气流环境下，叶片无振动，分叶阻尼机制不起作用，在不稳定气流作用下会导致风力涡轮机叶片的振动，偏心定置的分叶会自动激发气动阻尼机制抑制风力涡轮机叶片的振动，尤其是抑制摆振方向的振动。气动翼型的气动中心和回转机构的旋转中心之间设有偏置距离，回转机构的旋转中心位于分叶的前缘点和气动中心连线上并靠近气动中心，使得分叶自动激发的气动阻尼机制对风力涡轮机叶片具有更好的振动抑制效果。

进一步地，所述回转机构包括回转轴和轴承；

所述回转轴的一端与风力涡轮机叶片本体的叶尖端连接；

所述分叶通过轴承与回转轴转动连接。

进一步地，所述回转轴的轴线正对直条状的风力涡轮机叶片本体的变桨轴线。

进一步地，所述回转轴的轴线与预弯状的风力涡轮机叶片本体的叶片预弯弧线相切。叶片预弯弧线是指连接风力涡轮机叶片本体各个翼型截面气动中心点后形成的曲线。

进一步地，还包括有避雷器，该避雷器与回转轴远离风力涡轮机叶片本体的一端连接。

进一步地，所述分叶的后缘设有柔性薄片状尾襟翼。

进一步地，所述柔性薄片状尾襟翼为厚度1mm以下的钛合金或不锈钢板。

进一步地，所述柔性薄片状尾襟翼为厚度5mm以下的橡胶板。

进一步地，所述分叶的长度为1～5米，距离D为0～0.2米。

为实现上述目的，本发明另外提供一种叶片，其包括风力涡轮机叶片本体和上述的被动式气动阻尼结构，被动式气动阻尼结构设于风力涡轮机叶片本体的叶尖端。

与现有技术相比，本方案原理及优点如下：

分叶通过回转机构转动连接于风力涡轮机叶片本体的叶尖端，在恒定气流环境下，叶片无振动，分叶阻尼机制不起作用，在不稳定气流作用下会导致风力涡轮机叶片的振动，偏心定置的分叶会自动激发气动阻尼机制抑制风力涡轮机叶片的振动，尤其是抑制摆振方向的振动。气动翼型的气动中心和回转机构的旋转中心之间设有偏置距离，回转机构的旋转中心位于分叶的前缘点和气动中心连线上并靠近气动中心，使得分叶自动激发的气动阻尼机制对风力涡轮机叶片具有更好的振动抑制效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的服务作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为包括被动式气动阻尼结构的叶片(直条状)的立体图；

图2为包括被动式气动阻尼结构的叶片(直条状)的示意图；

图3为分叶截面轮廓的示意图；

图4为包括被动式气动阻尼结构的叶片(预弯状)的示意图。

附图标记：

1-风力涡轮机叶片本体；2-分叶；3-回转机构；4-轴线；5-变桨轴线；6-叶片预弯弧线；7-避雷器；8-尾襟翼；9-前缘；10-旋转中心；11-气动中心。

具体实施方式

下面结合多个具体实施例对本发明作进一步说明：

实施例一

如图1至图3所示，本实施例所述的一种被动式气动阻尼结构，包括分叶2、回转机构3以及避雷器7；其中，所述分叶2通过回转机构3转动连接于直条状的风力涡轮机叶片本体1的叶尖端，且分叶2的截面轮廓呈气动翼型，气动翼型的气动中心11和回转机构3的旋转中心10之间设有偏置距离D，回转机构3的旋转中心10位于分叶2的前缘9点和气动中心11连线上并靠近气动中心11。

具体地，本实施例中，回转机构3包括回转轴和轴承；回转轴的一端与风力涡轮机叶片本体1的叶尖端连接；分叶2通过轴承与回转轴转动连接。

具体地，本实施例中，回转轴的轴线4正对直条状的风力涡轮机叶片本体1的变桨轴线5。

具体地，本实施例中，避雷器7与回转轴远离风力涡轮机叶片本体1的一端连接。

具体地，本实施例中，分叶2的后缘设有柔性薄片状尾襟翼8，该柔性薄片状尾襟翼8为厚度0.9mm的钛合金板。

具体地，本实施例中，分叶2的长度为3米，气动翼型的气动中心11和回转机构3的旋转中心10之间的偏置距离D为0.1米。

本实施例的工作原理如下：

就被动式气动阻尼结构的阻尼能力而言，除了和偏置距离D相关外，还和分叶2的分叶2长度以及现场气流的湍流度有关。分叶2越长气动阻尼能力越大，气流湍流度越大阻尼能力越强。经过试验得知，分叶2长度根据叶片容量的不同，在1m-5m范围内配置比较合理，偏置距离D在0-0.2m范围比较适宜。为此，本实施例中，分叶2的长度为3米，气动翼型的气动中心11和回转机构3的旋转中心10之间的偏置距离D为0.1米。

在正常的发电转速状态，假设气流是恒定不变的，则分叶2处于稳定的升力阻力状态，是出力状态，分叶2的气动力会常态的出力做功。一旦有气流扰动，比如阵风、湍流、变桨等原因导致气流变化，分叶2就会出现升力变化，如果扰动出现失速升力阻力会大幅度变化，由于升力通过气动中心11起作用，而气动中心11偏离回转机构3的旋转中心10，这样，分叶2就会出现摆动，这种摆动就是对叶片本体振动激励的一种抗拒，是一种气动力导致的抗拒，因此是气动阻尼。

由于风力涡轮机叶片本体1是悬臂安装的，风力涡轮机叶片本体1并不会出现和分叶2一致的扭转振动，不稳定的气流会失速，反映在叶片本体上是沿叶片挥舞或摆振方向的振动，因此，分叶2的扭转摆动会减弱叶片本体的定向振动，起到阻尼作用。尤其是，分叶2的扭转摆动诱导分叶2气动攻角的变化，是一种正反馈的作用，而且，在摆振方向的振动拟制会更加有效。

本实施例的被动式气动阻尼结构，停机状态下，风力涡轮机叶片本体1的气动迎风角和分叶2的差异很大。分叶2基本上总是处于顺风迎角状态。无论那个风向状态，风力涡轮机叶片本体1振动总是源于不稳定气流作用，而分叶2总能够在不稳定气流作用下激发出阻尼状态，抑制叶片的振动。

孤立看分叶2，在气动攻角±15°范围和180±15°范围是完全不同的，前者风力涡轮机叶片本体1的安定性高失速低，后者则基本上完全失速状态。就是说，如果挥舞这个分叶2往返摆动，前行时气动攻角±15°范围，低失速或不失速，返程时气动攻角180±15°范围，高失速状态。因此，往返行程是不对称的失速状态。分叶2具备的这种不稳定状态，就可以确保不会和风力涡轮机叶片本体1谐振，确保阻尼功能的固有存在。

为了进一步提升分叶2气动阻尼的灵敏度，本实施例在分叶2后缘增加尾襟翼8，所述尾襟翼8本质上就是一块柔性的边板，其目的是在气动攻角180±15°时，这块板可以快速变形弯曲，加速分叶2的扭转和失速。这种尾襟翼8板通常是固定连接或部分预埋在分叶2后缘壳体中，这样安装有期望的可靠性和使用寿命。

另外，本实施例中，由于分叶2截面轮廓(气动翼型)的气动中心11和回转机构3的旋转中心10设有偏置距离D，在风力吹动下分叶2产生气动升力和气动阻力，气动升力集中作用于分叶2截面轮廓(气动翼型)的气动中心11，方向垂直于分叶2弦线，因此会存在一个回转机构3旋转中心10的扭矩，气动阻力作用于分叶2弦线，通过气动中心11，也有力矩存在，气动升力和气动阻力合成一个过气动中心11的力，这个合力通过回转机构3的旋转中心10，因此分叶2可以平衡在某个攻角状态。

综上，分叶2通过回转机构3转动连接于风力涡轮机叶片本体1的叶尖端，在恒定气流环境下，叶片无振动，分叶2阻尼机制不起作用，在不稳定气流作用下会导致风力涡轮机叶片的振动，偏心定置的分叶2会自动激发气动阻尼机制抑制风力涡轮机叶片的振动，尤其是抑制摆振方向的振动。而气动翼型的气动中心11和回转机构3的旋转中心10之间设置偏置距离，回转机构3的旋转中心10位于分叶2的前缘9点和气动中心11连线上并靠近气动中心11，可使得分叶2自动激发的气动阻尼机制对风力涡轮机叶片具有更好的振动抑制效果。

最后，本实施例还另外涉及有一种叶片，该叶片包括风力涡轮机叶片本体1和上述的被动式气动阻尼结构，被动式气动阻尼结构设于风力涡轮机叶片本体1的叶尖端。

本实施例中，避雷器7与回转轴远离风力涡轮机叶片本体1的一端连接，当叶片遭受雷电冲击时，突出分叶2的避雷器7会接受雷电流，通过回转机构3的回转轴连接叶片避雷线直通大地，从而避免叶片受到伤害。

实施例二

本实施例与实施例一相比，柔性薄片状尾襟翼8为厚度4mm的橡胶板，其一样可以达到提升分叶2气动阻尼灵敏度的效果。

实施例三

如图4所示，本实施例与实施例一相比，风力涡轮机叶片本体1为预弯状，回转轴的轴线4与该预弯状的风力涡轮机叶片本体1的叶片预弯弧线6相切，通过相切，可使得分叶2自动激发的气动阻尼机制对预弯状的风力涡轮机叶片具有更好的振动抑制效果。叶片预弯弧线6是指连接风力涡轮机叶片本体1各个翼型截面气动中心11后形成的曲线。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.被动式气动阻尼结构，其特征在于，包括分叶和回转机构；

其中，所述分叶通过回转机构转动连接于风力涡轮机叶片本体的叶尖端，且分叶的截面轮廓呈气动翼型，气动翼型的气动中心和回转机构的旋转中心之间设有偏置距离，回转机构的旋转中心位于分叶的前缘点和气动中心连线上并靠近气动中心。

2.根据权利要求1所述的被动式气动阻尼结构，其特征在于，所述回转机构包括回转轴和轴承；

所述回转轴的一端与风力涡轮机叶片本体的叶尖端连接；

所述分叶通过轴承与回转轴转动连接。

3.根据权利要求2所述的被动式气动阻尼结构，其特征在于，所述回转轴的轴线正对直条状的风力涡轮机叶片本体的变桨轴线。

4.根据权利要求2所述的被动式气动阻尼结构，其特征在于，所述回转轴的轴线与预弯状的风力涡轮机叶片本体的叶片预弯弧线相切。

5.根据权利要求2所述的被动式气动阻尼结构，其特征在于，还包括有避雷器，该避雷器与回转轴远离风力涡轮机叶片本体的一端连接。

6.根据权利要求1所述的被动式气动阻尼结构，其特征在于，所述分叶的后缘设有柔性薄片状尾襟翼。

7.根据权利要求6所述的被动式气动阻尼结构，其特征在于，所述柔性薄片状尾襟翼为厚度1mm以下的钛合金或不锈钢板。

8.根据权利要求6所述的被动式气动阻尼结构，其特征在于，所述柔性薄片状尾襟翼为厚度5mm以下的橡胶板。

9.根据权利要求1所述的被动式气动阻尼结构，其特征在于，所述分叶的长度为1～5米，气动翼型的气动中心和回转机构的旋转中心之间的偏置距离为0～0.2米。

10.一种叶片，其特征在于，包括风力涡轮机叶片本体和权利要求1-9任一所述的被动式气动阻尼结构，被动式气动阻尼结构设于风力涡轮机叶片本体的叶尖端。