[發(fā)明專利]一種垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片組件及其合成射流控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711395271.1
• 申請(qǐng)日: 2017-12-21
• 公開（公告）號(hào): CN108150348B
• 公開（公告）日: 2019-11-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李春;朱海天;吳柏慧;郝文星;丁勤衛(wèi);余萬;王淵博;劉宇航;向斌;韓志偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海理工大學(xué)
• 主分類號(hào): F03D3/06
• 分類號(hào): F03D3/06;F03D7/06
• 代理公司: 上海德昭知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31204
• 代理人: 郁旦蓉

本發(fā)明公開了一種垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片組件及其合成射流控制方法，設(shè)置在垂直軸風(fēng)力機(jī)底座上，包括：多個(gè)葉片本體，每個(gè)葉片本體的上下兩端通過固定桿件固定在垂直軸風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)軸上；合成射流激勵(lì)器，沿葉片本體的葉高方向均勻串列設(shè)置在葉片本體中；以及多個(gè)射流孔，設(shè)置于葉片本體的尾緣處，合成射流激勵(lì)器包括：殼體，呈正方體形，設(shè)有上開口和下開口；壓電薄膜，呈正方形，覆蓋于下開口；射流通道，與上開口連通；壓電驅(qū)動(dòng)器，設(shè)置于壓電薄膜的下方，在矩形脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)下發(fā)生逆壓電效應(yīng)，從而驅(qū)動(dòng)正方形壓電薄膜產(chǎn)生周期性的上下振動(dòng)；以及控制箱，設(shè)置于轉(zhuǎn)軸上方，且與壓電驅(qū)動(dòng)器電連接，用于向壓電驅(qū)動(dòng)器輸入矩形脈沖信號(hào)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)控制與電氣控制領(lǐng)域，具體涉及一種垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片組件及其合成射流控制方法。

背景技術(shù)

在環(huán)境保護(hù)的大趨勢(shì)下，風(fēng)能利用技術(shù)受到各國(guó)廣泛關(guān)注，垂直軸風(fēng)力機(jī)作為一種風(fēng)能利用裝置，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。垂直軸風(fēng)力機(jī)相比水平軸風(fēng)力機(jī)具有以下優(yōu)勢(shì)：①無需對(duì)風(fēng)；②運(yùn)行噪聲較低；③成本較低；④運(yùn)行更穩(wěn)定。相反，垂直軸風(fēng)力機(jī)具有以下缺點(diǎn)：①效率低②自啟動(dòng)困難③葉片攻角周期性大幅變化④葉片尾渦、轉(zhuǎn)軸尾渦及葉尖渦相互作用導(dǎo)致流場(chǎng)結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜。

由于垂直軸風(fēng)力機(jī)的各種缺點(diǎn)，其亟待一種流動(dòng)控制技術(shù)改善其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行穩(wěn)定性。主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)(Active flow control,AFC)由于局部能量輸入從而獲得局部或全局流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的改善，可有效地減小因流動(dòng)分離而產(chǎn)生的氣動(dòng)損失，也可減小尾渦強(qiáng)度，對(duì)垂直軸風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組效率有著重大意義。因此，AFC技術(shù)成為研究熱點(diǎn)之一。高效且實(shí)用的AFC技術(shù)主要包括：傳統(tǒng)的吹/吸氣流動(dòng)控制技術(shù)、合成射流流動(dòng)控制技術(shù)及強(qiáng)制噴流流動(dòng)控制技術(shù)。

只要有障礙物，就有渦，即使是流線型葉片，也有渦。更何況在大攻角下，尾渦(分離渦)更大。如果能在一定攻角下，控制小渦配對(duì)過程，使得小渦無法配對(duì)成大渦，即可實(shí)現(xiàn)控制分離渦的目的，顯然垂直軸風(fēng)力機(jī)尾跡也可得到控制。之前很多文獻(xiàn)都是基于翼型研究的，很少關(guān)于撲翼、水平軸風(fēng)力機(jī)葉片、垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片中利用合成射流技術(shù)的相關(guān)文章。故本發(fā)明將此合成射流激勵(lì)器應(yīng)用于垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片中，目的在于以最小的能耗達(dá)到最優(yōu)的控制效果。

但是，現(xiàn)有技術(shù)中的吹吸氣流動(dòng)控制方案還存在不足之處：需要附加氣源、管路和控制閥門，因而造成增加較多的額外重量以及由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜引起的系統(tǒng)可靠性下降。合成射流又稱零質(zhì)量射流，合成射流激勵(lì)器(synthetic jet actuator,SJA)利用壓電薄膜反復(fù)振蕩進(jìn)行周期性吹/吸氣，將消耗的電能轉(zhuǎn)化為流體動(dòng)能，相比傳統(tǒng)的吹/吸氣流動(dòng)控制具有無需氣源、控制靈活、結(jié)構(gòu)緊湊等顯著優(yōu)點(diǎn)。另外由于其低成本、尺寸較小且射流吹氣系數(shù)較大，其具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。因此，合成射流流動(dòng)控制技術(shù)得到各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注，但多數(shù)研究成果專注于對(duì)航空翼型的研究，針對(duì)風(fēng)力機(jī)的研究很少，應(yīng)用于垂直軸風(fēng)力機(jī)的相關(guān)研究極少。然而，垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片攻角隨方位角周期性大幅變化，傳統(tǒng)合成射流流動(dòng)控制技術(shù)已不再適用于垂直軸風(fēng)力機(jī)，需設(shè)計(jì)一種合成射流激勵(lì)器的輸出功率隨葉片攻角變化的控制方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是為了解決上述問題而進(jìn)行的，目的在于提供一種垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片組件及其合成射流控制方法。