本發(fā)明涉及一種基于分形優(yōu)化的可改善失速特性的風(fēng)力機(jī)葉片，這種風(fēng)力機(jī)葉片既能保障葉片的氣動(dòng)性能，又能改善葉片的失速特性。

背景技術(shù)：

風(fēng)能是清潔的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電是可再生能源發(fā)展的重要領(lǐng)域。風(fēng)力機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電的重要設(shè)備對(duì)我國風(fēng)電發(fā)展起著極其重要的作用，風(fēng)力機(jī)葉片決定了其風(fēng)能利用率的高低，是整個(gè)風(fēng)力機(jī)的核心部件。

當(dāng)葉片來流攻角未達(dá)到失速條件，葉片有較大的升力和較小的阻力，流體附著葉片表面流過；當(dāng)葉片來流攻角增大到失速條件，流體不再附著葉片表面流過，而是將在葉片吸力面發(fā)生流動(dòng)分離，并在吸力面尾緣上產(chǎn)生渦流，升力突然減小，即產(chǎn)生“失速”。當(dāng)風(fēng)力機(jī)葉片處于失速狀態(tài)時(shí)，葉片會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)及運(yùn)行不穩(wěn)定，影響風(fēng)力機(jī)的能量捕捉。

鑒于此，專利號(hào)為201120047460.1，名稱為“一種通過駐渦控制失速的風(fēng)力機(jī)葉片”的專利，通過氣流在葉片上表面的凹坑形成的固定的旋渦，使葉片上表面的分離能夠得到控制，并在其上表面形成渦升力來達(dá)到提升翼型失速攻角的目的。申請(qǐng)?zhí)枮?01520369024.4，名稱為“一種可防失速的垂直軸風(fēng)力機(jī)”的專利，通過利用風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的自身離心力，拉動(dòng)杠桿擴(kuò)大拉力使內(nèi)外摩擦片接觸減速，從而防止葉片的失速、在強(qiáng)風(fēng)或者不安全風(fēng)速下保護(hù)風(fēng)機(jī)的工作。通過葉片表面上凹坑形成固定旋渦和利用風(fēng)機(jī)自身離心力拉動(dòng)杠桿使內(nèi)外摩擦片接觸減速在改善葉片的失速特性方面有一定的效果，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，且復(fù)雜的控制系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)也會(huì)降低風(fēng)力機(jī)葉片運(yùn)行的可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)不足之處，為了改善風(fēng)力機(jī)的失速特性，本發(fā)明基于分形理論在葉片的尾緣上設(shè)置具有分形結(jié)構(gòu)的孔，葉片壓力面的流體在壓差的作用下通過具有分形結(jié)構(gòu)的孔流向壓力較小的吸力面并在吸力面上形成小尺度湍流，這種小尺度湍流能延遲葉片表面邊界層的分離，從而延遲失速團(tuán)的形成，增大失速攻角，達(dá)到改善風(fēng)力機(jī)葉片失速特性的目的。但是當(dāng)葉片來流攻角未達(dá)到失速條件時(shí)，分形孔所產(chǎn)生的小尺度湍流會(huì)提前引起葉片尾緣處的渦流區(qū)，產(chǎn)生較大的能量耗散，從而使葉片的升力下降、阻力上升，影響葉片的氣動(dòng)性能，因此本發(fā)明在葉片的尾緣上設(shè)置有彈片，其開啟閉合狀態(tài)由葉片壓力面和吸力面的壓差控制，這里的臨界值規(guī)定為葉片來流攻角達(dá)到失速條件時(shí)葉片壓力面和吸力面的壓差，可由公式計(jì)算求得。在本發(fā)明中，當(dāng)彈片閉合，可保障葉片表面的氣動(dòng)性能；當(dāng)彈片開啟，可改善風(fēng)力機(jī)葉片的失速特性。

一種基于分形優(yōu)化的可改善失速特性的風(fēng)力機(jī)葉片，包括相對(duì)來流方向位于前部的葉片主體(1)和相對(duì)來流方向位于后部的葉片尾緣(2)，其特征在于：其中，葉片尾緣(2)上分布有多個(gè)彈片和具有分形結(jié)構(gòu)的分形孔，彈片(3)設(shè)置在分形孔的吸力面?zhèn)龋苋~片壓力面(7)和吸力面(8)壓差的作用而呈閉合或開啟狀態(tài)，分形孔貫穿壓力面(7)和吸力面(8)。

本發(fā)明提供的基于分形優(yōu)化的可改善失速特性的風(fēng)力機(jī)葉片，還可以具有這樣的特征，其特征在于：其中，葉片尾緣(2)的范圍為基于來流方向從風(fēng)力機(jī)葉片的翼弦(6)的五分之四處開始至葉片尾端。

本發(fā)明提供的基于分形優(yōu)化的可改善失速特性的風(fēng)力機(jī)葉片，還可以具有這樣的特征，其特征在于：其中，葉片尾緣(2)上的彈片(3)為薄片，該彈片設(shè)置在分形孔的吸力面?zhèn)龋诓煌瑏砹鞴ソ?4)下受壓力面(7)和吸力面(8)壓差的作用而呈閉合或開啟狀態(tài)，彈片(3)開啟的臨界壓差依據(jù)公式計(jì)算得出，其最大開啟狀態(tài)為沿著彈片(3)和分形孔相交處切線的方向。

本發(fā)明提供的基于分形優(yōu)化的可改善失速特性的風(fēng)力機(jī)葉片，還可以具有這樣的特征，其特征在于：其中，葉片尾緣(2)上的分形孔的形狀與其分布形狀具有自相似性，并形成貫穿壓力面(7)與吸力面(8)且垂直于風(fēng)力機(jī)葉片翼弦(6)的分形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明提供的基于分形優(yōu)化的可改善失速特性的風(fēng)力機(jī)葉片，還可以具有這樣的特征，其特征在于：其中，葉片尾緣(2)上的彈片(3)的工作原理為：當(dāng)葉片的來流攻角(4)未達(dá)到失速條件時(shí)，葉片的壓力面(7)和吸力面(8)的壓差小于彈片(3)開啟的臨界值，彈片(3)呈閉合狀態(tài)，阻止流體通過分形孔，同時(shí)阻止了葉片的吸力面(8)上小尺度湍流(10)的形成，從而使葉片表面不會(huì)產(chǎn)生較大的能量耗散，保障了葉片的氣動(dòng)性能；當(dāng)葉片的來流攻角(4)增大到失速條件，此時(shí)葉片的壓力面(7)和吸力面(8)的壓差增大到使彈片(3)開啟的臨界值，受葉片壓差的作用，彈片(3)打開，流體順利通過并在吸力面(8)上形成小尺度湍流(10)擾動(dòng)，該小尺度湍流(10)延遲了葉片表面邊界層的分離，從而延遲了失速團(tuán)(9)的形成，增大了葉片的失速攻角，達(dá)到改善葉片失速特性的目的。

本發(fā)明提供的基于分形優(yōu)化的可改善失速特性的風(fēng)力機(jī)葉片，還可以具有這樣的特征，其特征在于：其中，葉片尾緣(2)上的分形孔的形狀為基于任意一種規(guī)制幾何圖形的分形衍生而成。

本發(fā)明提供的基于分形優(yōu)化的可改善失速特性的風(fēng)力機(jī)葉片，還可以具有這樣的特征，其特征在于：其中，葉片尾緣(2)上的彈片(3)的形狀與分形孔的形狀相對(duì)應(yīng)配合。

本發(fā)明提供的基于分形優(yōu)化的可改善失速特性的風(fēng)力機(jī)葉片，還可以具有這樣的特征，其特征在于：其中，彈片(3)采用碳纖維復(fù)合材料，葉片主體(1)和葉片尾緣(2)均采用玻璃鋼材料。

本發(fā)明的目的是通過延遲葉片表面邊界層的分離，從而延遲失速團(tuán)的產(chǎn)生，增大葉片的失速攻角，改善葉片的失速特性，提供一種基于分形優(yōu)化的可改善失速特性的風(fēng)力機(jī)葉片，這種風(fēng)力機(jī)葉片既能保障葉片的氣動(dòng)性能又能改善葉片的失速特性，且結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)施、成本低。

本發(fā)明的基于分形優(yōu)化的可改善失速特性的風(fēng)力機(jī)葉片，包括葉片主體和葉片尾緣，葉片主體相對(duì)來流方向位于葉片的前部，葉片尾緣相對(duì)來流方向位于葉片的后部，在葉片尾緣上分布有多個(gè)彈片和具有分形結(jié)構(gòu)的孔，彈片裝置在分形孔的吸力面?zhèn)龋苋~片壓力面和吸力面壓差的作用可呈閉合或開啟狀態(tài)，分形孔貫穿整個(gè)風(fēng)力機(jī)葉片的壓力面和吸力面。

本發(fā)明基于分形優(yōu)化的可改善失速特性的風(fēng)力機(jī)葉片，當(dāng)葉片來流攻角未達(dá)到失速條件時(shí)，其壓力面和吸力面的壓差小于彈片開啟的臨界值，彈片呈閉合狀態(tài)，阻止流體通過分形孔，同時(shí)阻止了葉片吸力面上小尺度湍流的形成，從而使葉片表面不會(huì)產(chǎn)生較大的能量耗散，保障了葉片的氣動(dòng)性能；當(dāng)來流攻角增大到失速條件，此時(shí)葉片壓力面和吸力面的壓差增大到彈片開啟的臨界值，受壓差的作用彈片打開，流體能順利通過并在吸力面上形成小尺度湍流擾動(dòng)，該小尺度湍流延遲了葉片表面邊界層的分離，從而延遲了失速團(tuán)的形成，增大了葉片的失速攻角，達(dá)到改善葉片失速特性的目的。

在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中，彈片的臨界壓差由公式算得，因風(fēng)力機(jī)工作范圍通常在大雷諾數(shù)范圍，故取雷諾數(shù)為，來流風(fēng)速為13.5，來流密度為1.225，其失速攻角為13.6，翼型的氣動(dòng)系數(shù)為0.24，翼型的弦長設(shè)為1的示例工況數(shù)據(jù)，根據(jù)翼型壓力面和吸力面的壓差公式，計(jì)算求得此示例工況彈片的臨界壓差為26n。

在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中，葉片尾緣的范圍為基于來流方向從風(fēng)力機(jī)葉片的翼弦五分之四處開始至葉片尾端，這種布置結(jié)構(gòu)簡單、便于實(shí)現(xiàn)。

在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中，葉片尾緣上的彈片為薄片，裝置在分形孔的吸力面?zhèn)龋诓煌瑏砹鞴ソ窍率軌毫γ婧臀γ鎵翰畹淖饔每沙书]合或開啟狀態(tài)，其彈片開啟的臨界壓差可由公式計(jì)算得出，其最大開啟狀態(tài)為沿著葉片翼型彈片和分形孔相交處切線的方向，這種最大的開啟狀態(tài)可使葉片的流動(dòng)損失降到最低。

在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中，葉片尾緣上分形孔的形狀與其分布形狀具有自相似性，并形成貫穿壓力面與吸力面且垂直于風(fēng)力機(jī)葉片翼弦的分形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，這種分形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)更易產(chǎn)生小尺度湍流擾動(dòng)。

在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中，葉片尾緣上分形孔的形狀為基于任意一種幾何圖形分形衍生而成，可據(jù)不同葉片尾緣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行選取，而彈片的形狀可依據(jù)分形孔的形狀進(jìn)行選取。

優(yōu)選地，葉片尾緣分形孔的橫截面為矩形，彈片的形狀為適應(yīng)分形孔的矩形。但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，葉片尾緣上的彈片和分形孔的橫截面形狀并不局限于此，其形狀可根據(jù)不同葉片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行選取，只要符合分形孔的形狀與其分布形狀具有自相似性、彈片和分形孔的形狀能配合良好即可。

在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中，彈片采用碳纖維復(fù)合材料，葉片主體和葉片尾緣均采用玻璃鋼材料，玻璃鋼材料的強(qiáng)度高、重量輕且耐老化。

發(fā)明作用與效果

本發(fā)明基于分形理論在葉片的尾緣上設(shè)置具有分形結(jié)構(gòu)的孔，葉片壓力面的流體在壓差的作用下通過具有分形結(jié)構(gòu)的孔流向壓力較小的吸力面并在吸力面上形成小尺度湍流，這種小尺度湍流能延遲葉片表面邊界層的分離，從而延遲失速團(tuán)的形成，增大失速攻角，達(dá)到改善風(fēng)力機(jī)葉片失速特性的目的。但是當(dāng)葉片來流攻角未達(dá)到失速條件時(shí)，分形孔所產(chǎn)生的小尺度湍流會(huì)提前引起葉片尾緣處的渦流區(qū)，產(chǎn)生較大的能量耗散，從而使葉片的升力下降、阻力上升，影響葉片的氣動(dòng)性能，因此本發(fā)明在葉片的尾緣上設(shè)置有彈片，其開啟閉合狀態(tài)由葉片壓力面和吸力面的壓差控制，這里的臨界值規(guī)定為葉片來流攻角達(dá)到失速條件時(shí)葉片壓力面和吸力面的壓差，可由公式計(jì)算求得。在本發(fā)明中，當(dāng)彈片閉合，可保障葉片表面的氣動(dòng)性能；當(dāng)彈片開啟，可改善風(fēng)力機(jī)葉片的失速特性。

附圖說明

圖1為示出了本發(fā)明的風(fēng)力機(jī)葉片翼型的剖面圖；

圖2為本發(fā)明風(fēng)力機(jī)葉片的三維圖；

圖3為圖1中的a向葉片尾緣上分形孔的任一部分向視圖；

圖4為圖1中示出的葉片尾緣的放大圖；

圖5為葉片翼型攻角的示意圖；

圖6為本發(fā)明的風(fēng)力機(jī)葉片的工作原理示意圖；以及

圖7為圖6中葉片尾緣的放大圖。

附圖中，

1：葉片主體；2：葉片尾緣；3：彈片；4：來流攻角；5：來流；6：翼弦；7：葉片壓力面；8：葉片吸力面；9：失速團(tuán)；10：小尺度湍流。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的說明，但不應(yīng)以此限制本專利的保護(hù)范圍。

圖1和圖2示出了本發(fā)明一種基于分形優(yōu)化的可改善失速特性的風(fēng)力機(jī)葉片翼型的剖面圖。本實(shí)例風(fēng)力機(jī)葉片的翼型采用的是目前風(fēng)電行業(yè)應(yīng)用較廣泛的naca0012，但本發(fā)明的翼型結(jié)構(gòu)并不限于此。

由圖1可知，本發(fā)明的風(fēng)力機(jī)葉片主要包括葉片主體1和葉片尾緣2。

葉片主體1為玻璃鋼材料，葉片尾緣2也可為玻璃鋼材料，玻璃鋼材料的特點(diǎn)為強(qiáng)度高、重量輕且耐老化。

仍參照?qǐng)D1，在葉片尾緣2上分布有多個(gè)彈片3和具有分形結(jié)構(gòu)的孔，彈片3裝置在分形孔的吸力面?zhèn)龋中慰仔纬韶灤┤~片壓力面7和吸力面8且垂直于如圖3中示出的風(fēng)力機(jī)葉片翼弦6的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

圖3為圖1中的a向葉片尾緣分形結(jié)構(gòu)任一部分向視圖，其往兩邊延伸的方向具有與這一部分相同的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。分形孔的形狀與其分布形狀具有自相似性，這里的分形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)較于普通網(wǎng)格更易產(chǎn)生小尺度湍流，示例中分形孔的橫截面為矩形。

但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，分形孔的形狀并不限于圖3中所示的矩形，還可以是其它幾何形狀，可根據(jù)不同葉片尾緣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行選取，只要符合分形孔的形狀與其分布形狀具有自相似性，并能夠使流體順利通過即可。

圖4為圖1中葉片尾緣結(jié)構(gòu)的放大圖，包括彈片3和具有分形結(jié)構(gòu)的孔，彈片3連接在分形孔的吸力面8側(cè)。

由圖4可知，彈片3為薄片，采用碳纖維復(fù)合材料，在不同葉片來流攻角4下受壓力面7和吸力面8壓差的作用可呈閉合或開啟狀態(tài)，其最大開啟狀態(tài)為沿著葉片翼型彈片和分形孔相交處切線的方向，這種最大的開啟狀態(tài)可使葉片的流動(dòng)損失降到最低，圖4示即為彈片的最大開啟狀態(tài)。

彈片3的形狀據(jù)分形孔的形狀選取，示例中彈片為矩形，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，彈片的形狀并不限于此，還可以是其它的幾何形狀，只要滿足與分形孔配合良好即可。

圖5為示出了本發(fā)明風(fēng)力機(jī)葉片翼型攻角示意圖，其中，來流攻角4定義為來流5與翼弦6之間的夾角。

由圖5可知，葉片主體1相對(duì)于來流5(即，風(fēng)的吹送方向)位于前部，葉片尾緣2相對(duì)于來流5位于后部。葉片尾緣2在風(fēng)力機(jī)葉片翼弦6的方向上占風(fēng)力機(jī)葉片的五分之一，但本發(fā)明并不限于此，葉片主體和葉片尾緣之間比例關(guān)系可根據(jù)不同風(fēng)力機(jī)葉型進(jìn)行配置。

圖6為本發(fā)明的風(fēng)力機(jī)葉片的工作原理示意圖，圖7為圖6中葉片尾緣的放大圖，示出了本發(fā)明基于分形優(yōu)化改善風(fēng)力機(jī)葉片失速特性的工作原理。

當(dāng)葉片來流攻角4未達(dá)到失速條件，葉片壓力面7的氣壓和葉片吸力面8的氣壓相差較小，壓差不足以使彈片3打開，此時(shí)，彈片3呈閉合狀態(tài)，阻止流體通過分形孔，同時(shí)阻止了吸力面8上小尺度湍流的形成，葉片有較大的升力和較小的阻力，隨著葉片來流攻角4的不斷增大，當(dāng)葉片來流攻角4增大到失速條件，流體不再附著葉片表面流過，而是在葉片吸力面8發(fā)生流動(dòng)分離，并在其尾緣產(chǎn)生失速團(tuán)9，導(dǎo)致葉片的阻力上升、升力下降，葉片壓力面7和吸力面8的壓差增大，此時(shí)，受壓差的作用彈片3開啟，壓力面7的流體通過分形孔并在葉片的吸力面7上形成小尺度湍流10，該小尺度湍流10會(huì)延遲葉片表面的邊界層分離，從而延遲失速團(tuán)9的產(chǎn)生，增大失速攻角，達(dá)到改善葉片失速特性的目的。

以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，并非用來限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。任何所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者，在不脫離本發(fā)明的思路和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動(dòng)與變通，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求書所界定范圍為準(zhǔn)。。

實(shí)施例的作用和有益效果

本實(shí)施例的基于分形優(yōu)化的可改善失速特性的風(fēng)力機(jī)葉片，基于分形理論在葉片的尾緣上設(shè)置具有分形結(jié)構(gòu)的孔，葉片壓力面的流體在壓差的作用下通過具有分形結(jié)構(gòu)的孔流向壓力較小的吸力面并在吸力面上形成小尺度湍流，這種小尺度湍流能延遲葉片表面邊界層的分離，從而延遲失速團(tuán)的形成，增大失速攻角，達(dá)到改善風(fēng)力機(jī)葉片失速特性的目的。但是當(dāng)葉片來流攻角未達(dá)到失速條件時(shí)，分形孔所產(chǎn)生的小尺度湍流會(huì)提前引起葉片尾緣處的渦流區(qū)，產(chǎn)生較大的能量耗散，從而使葉片的升力下降、阻力上升，影響葉片的氣動(dòng)性能，因此本發(fā)明在葉片的尾緣上設(shè)置有彈片，其開啟閉合狀態(tài)由葉片壓力面和吸力面的壓差控制，這里的臨界值規(guī)定為葉片來流攻角達(dá)到失速條件時(shí)葉片壓力面和吸力面的壓差，可由公式計(jì)算求得。在本發(fā)明中，當(dāng)彈片閉合，可保障葉片表面的氣動(dòng)性能；當(dāng)彈片開啟，可改善風(fēng)力機(jī)葉片的失速特性。

因此，本實(shí)施例通過將風(fēng)力機(jī)常用naca0012翼型的葉片設(shè)計(jì)為基于分形優(yōu)化的葉片結(jié)構(gòu)，達(dá)到改善葉片失速特性的目的，既保障了葉片的氣動(dòng)性能，又改善了葉片的失速特性，且結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、成本低。