一种带微致动器的风力机叶片的制作方法

本实用新型属于流体机械设备技术领域，涉及一种带微致动器的风力机叶片。

背景技术：

风力机受到随机风速、风向的影响，叶片翼型周围的流场的流动分离以及涡的形成过程都非常复杂。风力机运行一段时间后，气动效率会降低，主要原因是随着来流攻角的增大，风力机的翼型周围的流场的边界层发生分离，导致升力系数减小、阻力系数增加，失速现象出现。而失速现象的发生常伴随着相应压力场和速度场的不规律变化，严重时甚至会产生压力脉动，进而产生振动噪声，加剧材料损伤，缩短风力机的使用寿命。

叶片作为风力机获取风能的主要部件，它的气动性能和结构性能直接决定着风力机的工作效率和运行寿命。现有风力机的叶片在来流攻角较大时，会发生比较明显的失速现象，“失速”使风力机的气动特性受到了严重的影响，导致输出功率急剧减小。因此要深入地研究风力叶片翼型周围的流场的流动分离现象、失速涡的形成过程，通过对叶轮作进一步的改进来提高风力机的气动效率。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种带微致动器的风力机叶片，延迟翼型失速攻角，更有效的控制风力机翼型周围边界层分离流动。通过在风力机翼型的上表面安装气泡型微致动器的方法来改变翼型周围流场形状及边界层的分离状况，延迟翼型周围流场的分离，达到增加风力机的升力系数、改善风力机的动态失速性能和控制边界层分离流动的目的。

本实用新型所采用的技术方案是，一种带微致动器的风力机叶片，叶片呈翼型，叶片表面沿翼型边缘从前向后间隔设置有三个微致动器，每个微致动器均包括外壳，外壳的表面上均设置有三个气泡膜，外壳与叶片之间还设置有隔离层。

本实用新型的其他特点还在于，

三个微致动器的中心依次位于叶片边缘的0.1c的位置，0.5c的位置和0.7c的位置，c为叶片的弦长。

外壳表面沿径向开有三个圆形的通气孔，每个通气孔正对气泡膜的正中央，通气孔的直径为0.003c，c为叶片弦长。

叶片表面上开有三个凹槽，每个凹槽位于每个微致动器的下方，凹槽的轴线与外壳的轴线平行，凹槽的槽深为0.01t，槽宽为0.01c，凹槽轴向长度为0.1c，轴向一端开口，用于空气进入，另一端密封，其中，c为叶片的弦长，t为叶片厚度。

外壳的材质为单晶硅，外壳的轴向长度为0.1c，外壳1的宽度为0.025c，c为叶片的弦长。

气泡膜由硅酮橡胶构成，三个气泡膜结构相同，每个气泡膜的宽度为0.02c，沿着气流方向的宽度为0.02c，c为叶片的弦长，并且，气泡膜与外壳连接的地方，四个角均采用圆弧过度，用以减小应力集中造成气泡膜脱落。

隔离层采用金属箔材质。

本实用新型的有益效果是，一种带微致动器的风力机叶片，通过在风力机翼型的上表面安装气泡型微致动器的方法来改变翼型周围流场形状及边界层的分离状况，延迟翼型周围流场的分离，达到增加风力机的升力系数、改善风力机的动态失速性能和控制边界层分离流动的目的。通过在叶片上设置微致动器，叶片表面的微致动器受到周围空气压力的作用，附着在它上面的气泡不断收缩和膨胀，使微致动器和翼型表面流场的相互耦合，实现对的涡流分离状态的操纵，增强了风力机叶片对风速变化的适应能力。特别是在大攻角时翼型上下表面压力差增大，翼型的升力增加，延迟了翼型周围边界层流动分离。临界攻角的延迟也改善了翼型的动态失速性能，增强了风力机运行的平稳性，实现了微致动器对流动的主动控制，改善了风力机翼型的气动性能。

附图说明

图1是本实用新型的叶片截面翼型上微致动器的分布结构示意图；

图2是本实用新型的叶片上微致动器的俯视结构示意图；

图3是本实用新型的叶片与微致动器连接处的局部放大结构示意图；

图4是本实用新型的微致动器致动的工作示意图。

图中，1.外壳，2.隔离层，3.气泡膜，4.通气孔，5.凹槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型的一种带微致动器的风力机叶片，如图1所示，叶片呈翼型，叶片表面沿翼型边缘从前向后间隔设置有三个微致动器，每个微致动器均包括外壳1和隔离层2，外壳1的表面上均匀设置三个气泡膜3，隔离层2设置在外壳1与叶片之间。

三个微致动器的中心依次位于叶片边缘的0.1c的位置，0.5c的位置和0.7c的位置，c为叶片的弦长。

如图2所示，外壳1表面沿径向开有三个圆形的通气孔4，每个通气孔4正对气泡膜3的正中央，通气孔的直径为0.003c，c为叶片弦长。

如图3所示，叶片表面上开有三个凹槽5，每个凹槽5位于每个微致动器的下方，凹槽5的轴线与外壳1的轴线平行，凹槽5的槽深为0.01t，槽宽为0.01c，凹槽5轴向长度为0.1c，轴向一端开口，用于空气进入，另一端密封，其中，c为叶片的弦长，t为叶片厚度。

外壳1的材质为单晶硅，外壳1的轴向长度为0.1c，外壳1的宽度为0.025c，c为叶片的弦长。

气泡膜3由硅酮橡胶构成，三个气泡膜3结构相同，每个气泡膜3的宽度为0.02c，沿着气流方向的宽度为0.02c，c为叶片的弦长，并且，气泡膜3与外壳1连接的地方，四个角均采用圆弧过度，用以减小应力集中造成气泡膜脱落。

隔离层2采用金属箔材质。

本实用新型的一种带微致动器的风力机叶片的设计方法如下：

在叶片上表面沿翼型前缘向后设置3个气泡型微致动器，定义最前缘处为坐标原点，x轴沿翼型弦线方向，y轴垂直于翼型弦线，三个气泡型微致动器的中心位置分别对应距离翼型前缘10％、50％、70％弦长正上方翼型上表面所对的位置；

外壳1由单晶硅片构成，气泡膜3附着在硅片上，由硅酮橡胶构成；金属箔作为气泡外壳与风力机叶片之间的隔离层2，金属箔的柔性比较好，以金属箔作为衬底，易于实现气泡型微致动器与曲面的集成。

每个微致动器上设置三个微型气泡膜3，气泡膜3内部相同，它的纵向宽度设定为0.02c，顺来流方向的尺寸为0.02c，其中c为叶片弦长，在垂直方向变形位移在0.01t左右，t为叶片厚度。气泡之间的间隔微小的距离，对释放层的四个角采用圆弧过渡，以减小应力集中造成的薄膜脱落，每个气泡下方设置一个通气孔4；气泡膜的厚度设为120μm，单个平面尺寸为0.1c×0.025c。

本实用新型的一种带微致动器的风力机叶片的工作过程是：微致动器在非工作状态下(未充气体时)具有平整的外形；风力机高速旋转时，气泡型微致动器在工作状态下，如图4所示，压缩空气由气泡型微致动器下方凹槽5的一侧进入，凹槽5的另一侧是密封的，在气体压力作用下空气经过通气孔4，使微型气泡膜3膨胀，向外凸出，产生形变，形成具有平滑外形柔性壁面的气泡，形状呈“鼓包”状。空气压力变小时，气泡逐渐缩小，直到恢复原状。利用在附面层范围内气泡收缩和膨胀产生的致动动作，实现对的涡流分离状态的操纵，增强了风力机叶片对风速变化的适应能力。