CN106949021A - 一种基于分形优化的可改善失速特性的风力机叶片 - Google Patents

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Abstract

一种基于分形优化的可改善失速特性的风力机叶片，包括相对来流方向位于前部的叶片主体和相对来流方向位于后部的叶片尾缘，叶片尾缘上分布有多个弹片和具有分形结构的分形孔，弹片设置在分形孔的吸力面侧，受叶片压力面和吸力面压差的作用而呈闭合或开启状态，分形孔贯穿压力面和吸力面。当叶片来流攻角未达到失速条件时，由于叶片压力面和吸力面的压差较小，此时的弹片呈闭合状态，能阻止流体通过从而阻止小尺度湍流的产生，保障了叶片的气动性能；当叶片来流攻角增大到失速条件时，由于压差的作用弹片呈开启状态、流体能通过分形孔并在吸力面上产生小尺度湍流延迟叶片表面边界层的分离，从而延迟失速团的形成，达到改善叶片失速特性的目的。

Description

一种基于分形优化的可改善失速特性的风力机叶片
技术领域
本发明涉及一种基于分形优化的可改善失速特性的风力机叶片，这种风力机叶片既能保障叶片的气动性能，又能改善叶片的失速特性。
背景技术
风能是清洁的可再生能源，风力发电是可再生能源发展的重要领域。风力机作为风力发电的重要设备对我国风电发展起着极其重要的作用，风力机叶片决定了其风能利用率的高低，是整个风力机的核心部件。
当叶片来流攻角未达到失速条件，叶片有较大的升力和较小的阻力，流体附着叶片表面流过；当叶片来流攻角增大到失速条件，流体不再附着叶片表面流过，而是将在叶片吸力面发生流动分离，并在吸力面尾缘上产生涡流，升力突然减小，即产生“失速”。当风力机叶片处于失速状态时，叶片会产生振动及运行不稳定，影响风力机的能量捕捉。
鉴于此，专利号为201120047460.1，名称为“一种通过驻涡控制失速的风力机叶片”的专利，通过气流在叶片上表面的凹坑形成的固定的旋涡，使叶片上表面的分离能够得到控制，并在其上表面形成涡升力来达到提升翼型失速攻角的目的。申请号为201520369024.4，名称为“一种可防失速的垂直轴风力机”的专利，通过利用风机旋转产生的自身离心力，拉动杠杆扩大拉力使内外摩擦片接触减速，从而防止叶片的失速、在强风或者不安全风速下保护风机的工作。通过叶片表面上凹坑形成固定旋涡和利用风机自身离心力拉动杠杆使内外摩擦片接触减速在改善叶片的失速特性方面有一定的效果，但结构复杂、成本高，且复杂的控制系统和结构也会降低风力机叶片运行的可靠性。
发明内容
本发明针对上述现有技术不足之处，为了改善风力机的失速特性，本发明基于分形理论在叶片的尾缘上设置具有分形结构的孔，叶片压力面的流体在压差的作用下通过具有分形结构的孔流向压力较小的吸力面并在吸力面上形成小尺度湍流，这种小尺度湍流能延迟叶片表面边界层的分离，从而延迟失速团的形成，增大失速攻角，达到改善风力机叶片失速特性的目的。但是当叶片来流攻角未达到失速条件时，分形孔所产生的小尺度湍流会提前引起叶片尾缘处的涡流区，产生较大的能量耗散，从而使叶片的升力下降、阻力上升，影响叶片的气动性能，因此本发明在叶片的尾缘上设置有弹片，其开启闭合状态由叶片压力面和吸力面的压差控制，这里的临界值规定为叶片来流攻角达到失速条件时叶片压力面和吸力面的压差，可由公式计算求得。在本发明中，当弹片闭合，可保障叶片表面的气动性能；当弹片开启，可改善风力机叶片的失速特性。
一种基于分形优化的可改善失速特性的风力机叶片，包括相对来流方向位于前部的叶片主体(1)和相对来流方向位于后部的叶片尾缘(2)，其特征在于：其中，叶片尾缘(2)上分布有多个弹片和具有分形结构的分形孔，弹片(3)设置在分形孔的吸力面侧，受叶片压力面(7)和吸力面(8)压差的作用而呈闭合或开启状态，分形孔贯穿压力面(7)和吸力面(8)。
本发明提供的基于分形优化的可改善失速特性的风力机叶片，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，叶片尾缘(2)的范围为基于来流方向从风力机叶片的翼弦(6)的五分之四处开始至叶片尾端。
本发明提供的基于分形优化的可改善失速特性的风力机叶片，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，叶片尾缘(2)上的弹片(3)为薄片，该弹片设置在分形孔的吸力面侧，在不同来流攻角(4)下受压力面(7)和吸力面(8)压差的作用而呈闭合或开启状态，弹片(3)开启的临界压差依据公式计算得出，其最大开启状态为沿着弹片(3)和分形孔相交处切线的方向。
本发明提供的基于分形优化的可改善失速特性的风力机叶片，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，叶片尾缘(2)上的分形孔的形状与其分布形状具有自相似性，并形成贯穿压力面(7)与吸力面(8)且垂直于风力机叶片翼弦(6)的分形网格结构。
本发明提供的基于分形优化的可改善失速特性的风力机叶片，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，叶片尾缘(2)上的弹片(3)的工作原理为：当叶片的来流攻角(4)未达到失速条件时，叶片的压力面(7)和吸力面(8)的压差小于弹片(3)开启的临界值，弹片(3)呈闭合状态，阻止流体通过分形孔，同时阻止了叶片的吸力面(8)上小尺度湍流(10)的形成，从而使叶片表面不会产生较大的能量耗散，保障了叶片的气动性能；当叶片的来流攻角(4)增大到失速条件，此时叶片的压力面(7)和吸力面(8)的压差增大到使弹片(3)开启的临界值，受叶片压差的作用，弹片(3)打开，流体顺利通过并在吸力面(8)上形成小尺度湍流(10)扰动，该小尺度湍流(10)延迟了叶片表面边界层的分离，从而延迟了失速团(9)的形成，增大了叶片的失速攻角，达到改善叶片失速特性的目的。
本发明提供的基于分形优化的可改善失速特性的风力机叶片，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，叶片尾缘(2)上的分形孔的形状为基于任意一种规制几何图形的分形衍生而成。
本发明提供的基于分形优化的可改善失速特性的风力机叶片，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，叶片尾缘(2)上的弹片(3)的形状与分形孔的形状相对应配合。
本发明提供的基于分形优化的可改善失速特性的风力机叶片，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，弹片(3)采用碳纤维复合材料，叶片主体(1)和叶片尾缘(2)均采用玻璃钢材料。
本发明的目的是通过延迟叶片表面边界层的分离，从而延迟失速团的产生，增大叶片的失速攻角，改善叶片的失速特性，提供一种基于分形优化的可改善失速特性的风力机叶片，这种风力机叶片既能保障叶片的气动性能又能改善叶片的失速特性，且结构简单、易于实施、成本低。
本发明的基于分形优化的可改善失速特性的风力机叶片，包括叶片主体和叶片尾缘，叶片主体相对来流方向位于叶片的前部，叶片尾缘相对来流方向位于叶片的后部，在叶片尾缘上分布有多个弹片和具有分形结构的孔，弹片装置在分形孔的吸力面侧，受叶片压力面和吸力面压差的作用可呈闭合或开启状态，分形孔贯穿整个风力机叶片的压力面和吸力面。
本发明基于分形优化的可改善失速特性的风力机叶片，当叶片来流攻角未达到失速条件时，其压力面和吸力面的压差小于弹片开启的临界值，弹片呈闭合状态，阻止流体通过分形孔，同时阻止了叶片吸力面上小尺度湍流的形成，从而使叶片表面不会产生较大的能量耗散，保障了叶片的气动性能；当来流攻角增大到失速条件，此时叶片压力面和吸力面的压差增大到弹片开启的临界值，受压差的作用弹片打开，流体能顺利通过并在吸力面上形成小尺度湍流扰动，该小尺度湍流延迟了叶片表面边界层的分离，从而延迟了失速团的形成，增大了叶片的失速攻角，达到改善叶片失速特性的目的。
在本发明的一个具体实施例中，弹片的临界压差由公式算得，因风力机工作范围通常在大雷诺数范围，故取雷诺数为，来流风速为13.5，来流密度为1.225，其失速攻角为13.6，翼型的气动系数为0.24，翼型的弦长设为1的示例工况数据，根据翼型压力面和吸力面的压差公式，计算求得此示例工况弹片的临界压差为26N。
在本发明的一个具体实施例中，叶片尾缘的范围为基于来流方向从风力机叶片的翼弦五分之四处开始至叶片尾端，这种布置结构简单、便于实现。
在本发明的一个具体实施例中，叶片尾缘上的弹片为薄片，装置在分形孔的吸力面侧，在不同来流攻角下受压力面和吸力面压差的作用可呈闭合或开启状态，其弹片开启的临界压差可由公式计算得出，其最大开启状态为沿着叶片翼型弹片和分形孔相交处切线的方向，这种最大的开启状态可使叶片的流动损失降到最低。
在本发明的一个具体实施例中，叶片尾缘上分形孔的形状与其分布形状具有自相似性，并形成贯穿压力面与吸力面且垂直于风力机叶片翼弦的分形网格结构，这种分形网格结构更易产生小尺度湍流扰动。
在本发明的一个具体实施例中，叶片尾缘上分形孔的形状为基于任意一种几何图形分形衍生而成，可据不同叶片尾缘的结构进行选取，而弹片的形状可依据分形孔的形状进行选取。
优选地，叶片尾缘分形孔的横截面为矩形，弹片的形状为适应分形孔的矩形。但本领域技术人员应该理解，叶片尾缘上的弹片和分形孔的横截面形状并不局限于此，其形状可根据不同叶片的结构进行选取，只要符合分形孔的形状与其分布形状具有自相似性、弹片和分形孔的形状能配合良好即可。
在本发明的一个具体实施例中，弹片采用碳纤维复合材料，叶片主体和叶片尾缘均采用玻璃钢材料，玻璃钢材料的强度高、重量轻且耐老化。
发明作用与效果
本发明基于分形理论在叶片的尾缘上设置具有分形结构的孔，叶片压力面的流体在压差的作用下通过具有分形结构的孔流向压力较小的吸力面并在吸力面上形成小尺度湍流，这种小尺度湍流能延迟叶片表面边界层的分离，从而延迟失速团的形成，增大失速攻角，达到改善风力机叶片失速特性的目的。但是当叶片来流攻角未达到失速条件时，分形孔所产生的小尺度湍流会提前引起叶片尾缘处的涡流区，产生较大的能量耗散，从而使叶片的升力下降、阻力上升，影响叶片的气动性能，因此本发明在叶片的尾缘上设置有弹片，其开启闭合状态由叶片压力面和吸力面的压差控制，这里的临界值规定为叶片来流攻角达到失速条件时叶片压力面和吸力面的压差，可由公式计算求得。在本发明中，当弹片闭合，可保障叶片表面的气动性能；当弹片开启，可改善风力机叶片的失速特性。
附图说明
图1为示出了本发明的风力机叶片翼型的剖面图；
图2为本发明风力机叶片的三维图；
图3为图1中的A向叶片尾缘上分形孔的任一部分向视图；
图4为图1中示出的叶片尾缘的放大图；
图5为叶片翼型攻角的示意图；
图6为本发明的风力机叶片的工作原理示意图；以及
图7为图6中叶片尾缘的放大图。
附图中，
1：叶片主体；2：叶片尾缘；3：弹片；4：来流攻角；5：来流；6：翼弦；7：叶片压力面；8：叶片吸力面；9：失速团；10：小尺度湍流。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，但不应以此限制本专利的保护范围。
图1和图2示出了本发明一种基于分形优化的可改善失速特性的风力机叶片翼型的剖面图。本实例风力机叶片的翼型采用的是目前风电行业应用较广泛的NACA0012，但本发明的翼型结构并不限于此。
由图1可知，本发明的风力机叶片主要包括叶片主体1和叶片尾缘2。
叶片主体1为玻璃钢材料，叶片尾缘2也可为玻璃钢材料，玻璃钢材料的特点为强度高、重量轻且耐老化。
仍参照图1，在叶片尾缘2上分布有多个弹片3和具有分形结构的孔，弹片3装置在分形孔的吸力面侧，分形孔形成贯穿叶片压力面7和吸力面8且垂直于如图3中示出的风力机叶片翼弦6的网状结构。
图3为图1中的A向叶片尾缘分形结构任一部分向视图，其往两边延伸的方向具有与这一部分相同的结构和性质。分形孔的形状与其分布形状具有自相似性，这里的分形网格结构较于普通网格更易产生小尺度湍流，示例中分形孔的横截面为矩形。
但本领域技术人员应理解，分形孔的形状并不限于图3中所示的矩形，还可以是其它几何形状，可根据不同叶片尾缘的结构进行选取，只要符合分形孔的形状与其分布形状具有自相似性，并能够使流体顺利通过即可。
图4为图1中叶片尾缘结构的放大图，包括弹片3和具有分形结构的孔，弹片3连接在分形孔的吸力面8侧。
由图4可知，弹片3为薄片，采用碳纤维复合材料，在不同叶片来流攻角4下受压力面7和吸力面8压差的作用可呈闭合或开启状态，其最大开启状态为沿着叶片翼型弹片和分形孔相交处切线的方向，这种最大的开启状态可使叶片的流动损失降到最低，图4示即为弹片的最大开启状态。
弹片3的形状据分形孔的形状选取，示例中弹片为矩形，但本领域技术人员应理解，弹片的形状并不限于此，还可以是其它的几何形状，只要满足与分形孔配合良好即可。
图5为示出了本发明风力机叶片翼型攻角示意图，其中，来流攻角4定义为来流5与翼弦6之间的夹角。
由图5可知，叶片主体1相对于来流5(即，风的吹送方向)位于前部，叶片尾缘2相对于来流5位于后部。叶片尾缘2在风力机叶片翼弦6的方向上占风力机叶片的五分之一，但本发明并不限于此，叶片主体和叶片尾缘之间比例关系可根据不同风力机叶型进行配置。
图6为本发明的风力机叶片的工作原理示意图，图7为图6中叶片尾缘的放大图，示出了本发明基于分形优化改善风力机叶片失速特性的工作原理。
当叶片来流攻角4未达到失速条件，叶片压力面7的气压和叶片吸力面8的气压相差较小，压差不足以使弹片3打开，此时，弹片3呈闭合状态，阻止流体通过分形孔，同时阻止了吸力面8上小尺度湍流的形成，叶片有较大的升力和较小的阻力，随着叶片来流攻角4的不断增大，当叶片来流攻角4增大到失速条件，流体不再附着叶片表面流过，而是在叶片吸力面8发生流动分离，并在其尾缘产生失速团9，导致叶片的阻力上升、升力下降，叶片压力面7和吸力面8的压差增大，此时，受压差的作用弹片3开启，压力面7的流体通过分形孔并在叶片的吸力面7上形成小尺度湍流10，该小尺度湍流10会延迟叶片表面的边界层分离，从而延迟失速团9的产生，增大失速攻角，达到改善叶片失速特性的目的。
以上仅为本发明的较佳实施方式，并非用来限定本发明的实施范围。任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的思路和范围内，当可作各种的更动与变通，因此本发明的保护范围应当以权利要求书所界定范围为准。。
实施例的作用和有益效果
本实施例的基于分形优化的可改善失速特性的风力机叶片，基于分形理论在叶片的尾缘上设置具有分形结构的孔，叶片压力面的流体在压差的作用下通过具有分形结构的孔流向压力较小的吸力面并在吸力面上形成小尺度湍流，这种小尺度湍流能延迟叶片表面边界层的分离，从而延迟失速团的形成，增大失速攻角，达到改善风力机叶片失速特性的目的。但是当叶片来流攻角未达到失速条件时，分形孔所产生的小尺度湍流会提前引起叶片尾缘处的涡流区，产生较大的能量耗散，从而使叶片的升力下降、阻力上升，影响叶片的气动性能，因此本发明在叶片的尾缘上设置有弹片，其开启闭合状态由叶片压力面和吸力面的压差控制，这里的临界值规定为叶片来流攻角达到失速条件时叶片压力面和吸力面的压差，可由公式计算求得。在本发明中，当弹片闭合，可保障叶片表面的气动性能；当弹片开启，可改善风力机叶片的失速特性。
因此，本实施例通过将风力机常用NACA0012翼型的叶片设计为基于分形优化的叶片结构，达到改善叶片失速特性的目的，既保障了叶片的气动性能，又改善了叶片的失速特性，且结构简单、易于实现、成本低。

Claims (8)

1.一种基于分形优化的可改善失速特性的风力机叶片，包括相对来流方向位于前部的叶片主体(1)和相对来流方向位于后部的叶片尾缘(2)，其特征在于：
其中，所述叶片尾缘(2)上分布有多个弹片和具有分形结构的分形孔，
所述弹片(3)设置在所述分形孔的吸力面侧，受叶片压力面(7)和吸力面(8)压差的作用而呈闭合或开启状态，
所述分形孔贯穿压力面(7)和吸力面(8)。
2.根据权利要求1所述的基于分形优化的可改善失速特性的风力机叶片，其特征在于：
其中，所述叶片尾缘(2)的范围为基于来流方向从风力机叶片的翼弦(6)的五分之四处开始至叶片尾端。
3.根据权利要求1或2所述的基于分形优化的可改善失速特性的风力机叶片，其特征在于：
其中，所述叶片尾缘(2)上的所述弹片(3)为薄片，该弹片设置在所述分形孔的吸力面侧，在不同来流攻角(4)下受所述压力面(7)和所述吸力面(8)压差的作用而呈闭合或开启状态，
所述弹片(3)开启的临界压差依据公式计算得出，其最大开启状态为沿着所述弹片(3)和所述分形孔相交处切线的方向。
4.根据权利要求3所述的基于分形优化的可改善失速特性的风力机叶片，其特征在于：
其中，所述叶片尾缘(2)上的所述分形孔的形状与其分布形状具有自相似性，并形成贯穿所述压力面(7)与所述吸力面(8)且垂直于风力机叶片翼弦(6)的分形网格结构。
5.根据权利要求4所述的基于分形优化的可改善失速特性的风力机叶片，其特征在于：
其中，所述叶片尾缘(2)上的所述弹片(3)的工作原理为：当叶片的所述来流攻角(4)未达到失速条件时，叶片的所述压力面(7)和所述吸力面(8)的压差小于所述弹片(3)开启的临界值，所述弹片(3)呈闭合状态，阻止流体通过所述分形孔，同时阻止了叶片的所述吸力面(8)上小尺度湍流(10)的形成，从而使叶片表面不会产生较大的能量耗散，保障了叶片的气动性能；
当叶片的所述来流攻角(4)增大到失速条件，此时叶片的所述压力面(7)和所述吸力面(8)的压差增大到使所述弹片(3)开启的临界值，受叶片压差的作用，所述弹片(3)打开，流体顺利通过并在所述吸力面(8)上形成小尺度湍流(10)扰动，该小尺度湍流(10)延迟了叶片表面边界层的分离，从而延迟了失速团(9)的形成，增大了叶片的失速攻角，达到改善叶片失速特性的目的。
6.根据权利要求1或4所述的基于分形优化的可改善失速特性的风力机叶片，其特征在于：
其中，所述叶片尾缘(2)上的所述分形孔的形状为基于任意一种规制几何图形的分形衍生而成。
7.根据权利要求5所述的基于分形优化的可改善失速特性的风力机叶片，其特征在于：
其中，所述叶片尾缘(2)上的所述弹片(3)的形状与所述分形孔的形状相对应配合。
8.根据权利要求1所述的基于分形优化的可改善失速特性的风力机叶片，其特征在于：
其中，所述弹片(3)采用碳纤维复合材料，所述叶片主体(1)和所述叶片尾缘(2)均采用玻璃钢材料。
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