[发明专利]一种垂直轴风力机叶片组件及其合成射流控制方法

说明书

本发明公开了一种垂直轴风力机叶片组件及其合成射流控制方法，设置在垂直轴风力机底座上，包括：多个叶片本体，每个叶片本体的上下两端通过固定杆件固定在垂直轴风力机的转轴上；合成射流激励器，沿叶片本体的叶高方向均匀串列设置在叶片本体中；以及多个射流孔，设置于叶片本体的尾缘处，合成射流激励器包括：壳体，呈正方体形，设有上开口和下开口；压电薄膜，呈正方形，覆盖于下开口；射流通道，与上开口连通；压电驱动器，设置于压电薄膜的下方，在矩形脉冲信号驱动下发生逆压电效应，从而驱动正方形压电薄膜产生周期性的上下振动；以及控制箱，设置于转轴上方，且与压电驱动器电连接，用于向压电驱动器输入矩形脉冲信号。

技术领域

本发明属于结构控制与电气控制领域，具体涉及一种垂直轴风力机叶片组件及其合成射流控制方法。

背景技术

在环境保护的大趋势下，风能利用技术受到各国广泛关注，垂直轴风力机作为一种风能利用装置，将风能转化为电能。垂直轴风力机相比水平轴风力机具有以下优势：①无需对风；②运行噪声较低；③成本较低；④运行更稳定。相反，垂直轴风力机具有以下缺点：①效率低②自启动困难③叶片攻角周期性大幅变化④叶片尾涡、转轴尾涡及叶尖涡相互作用导致流场结构极其复杂。

由于垂直轴风力机的各种缺点，其亟待一种流动控制技术改善其流场结构及运行稳定性。主动流动控制技术(Active flow control,AFC)由于局部能量输入从而获得局部或全局流场结构的改善，可有效地减小因流动分离而产生的气动损失，也可减小尾涡强度，对垂直轴风电场机组效率有着重大意义。因此，AFC技术成为研究热点之一。高效且实用的AFC技术主要包括：传统的吹/吸气流动控制技术、合成射流流动控制技术及强制喷流流动控制技术。

只要有障碍物，就有涡，即使是流线型叶片，也有涡。更何况在大攻角下，尾涡(分离涡)更大。如果能在一定攻角下，控制小涡配对过程，使得小涡无法配对成大涡，即可实现控制分离涡的目的，显然垂直轴风力机尾迹也可得到控制。之前很多文献都是基于翼型研究的，很少关于扑翼、水平轴风力机叶片、垂直轴风力机叶片中利用合成射流技术的相关文章。故本发明将此合成射流激励器应用于垂直轴风力机叶片中，目的在于以最小的能耗达到最优的控制效果。

但是，现有技术中的吹吸气流动控制方案还存在不足之处：需要附加气源、管路和控制阀门，因而造成增加较多的额外重量以及由于结构复杂引起的系统可靠性下降。合成射流又称零质量射流，合成射流激励器(synthetic jet actuator,SJA)利用压电薄膜反复振荡进行周期性吹/吸气，将消耗的电能转化为流体动能，相比传统的吹/吸气流动控制具有无需气源、控制灵活、结构紧凑等显著优点。另外由于其低成本、尺寸较小且射流吹气系数较大，其具有一定的工程实用价值。因此，合成射流流动控制技术得到各国学者的广泛关注，但多数研究成果专注于对航空翼型的研究，针对风力机的研究很少，应用于垂直轴风力机的相关研究极少。然而，垂直轴风力机叶片攻角随方位角周期性大幅变化，传统合成射流流动控制技术已不再适用于垂直轴风力机，需设计一种合成射流激励器的输出功率随叶片攻角变化的控制方法。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种垂直轴风力机叶片组件及其合成射流控制方法。