一种基于分形学设计的风力机叶片的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明总体属于风力发电领域，具体而言涉及一种基于分形学设计的风力机叶片的尾缘结构，具有这种设计的尾缘结构能够改善风力机叶片的失速特性。
【背景技术】
[0002]中国风能资源丰富，大力发展风力发电对调整能源结构、保障能源安全、应对气候变化及促进社会经济可持续发展具有重要意义，其中风力机作为风力发电的关键设备对于我国风电发展起着极其重要作用。风力机叶片决定了其风能利用效率的高低，是整个风力机的核心部件。
[0003]当叶片来流攻角增大到失速条件，气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，并在吸力面的尾缘出现涡流区，升力突然减小，即所谓“失速”现象。当风力机处在失速状态时，不仅降低叶片气动效率、影响风力机能量捕捉，而且噪音会突然增大，并引起风力机叶片的振动及运行不稳定等现象。因此尽可能地改善风力机叶片失速特性以提高风力机运行效率并降低由风力机引起的噪声污染及风力机事故的发生率，是十分必要的并具有重要的社会意义和经济意义。
[0004]目前主要采用被动控制方式改善风力机叶片失速特性。如专利“一种可调叶片攻角式垂直轴风力机”(专利号:201210283518.1)，其通过调节叶片攻角来改善垂直轴风力发电机的失速特性;一种带有失速调节的风力发电机组(专利号= 20132055243.1)，其通过调节叶片轴线与安装板的摆动轴线，使其在迎风一侧保证成锐角来达到调节失速的目的。
[0005]但是，随着风力机逐渐呈现大型化和大容量发展趋势，失速被动控制所需成本增高。从而，采用主动控制的方式，基于失速的产生原理，采取相应设计来改善风力机的失速特性对于风力机失速调节显得至关重要。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种基于分形学设计的风力机叶片尾缘结构，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。
[0007]根据本发明的基于分形学设计的风力机叶片包括叶片主体和叶片分形尾缘，叶片主体相对于来流方向位于叶片的前部，叶片分形尾缘相对于来流方向位于叶片的后部，在叶片分形尾缘上分布有多个孔，这些孔贯穿整个叶片的压力面及吸力面。
[0008]本发明能够改善风力机叶片的失速特性而且结构简单且容易实施，相较于被动控制失速特性的装置，其成本大大降低。
[0009]在本发明的一个具体实施例中，叶片分形尾缘的范围为基于来流方向从风力机叶片的翼弦的五分之四处开始至叶片尾端。叶片主体和叶片分形尾缘的这种布置结构简单，便于实现，节约成本。
[0010]在本发明的一个具体实施例中，叶片分形尾缘上的多个孔的形状与其分布形状具有自相似性(即，是基于分形学设计的，形成自相似结构)，并且这些孔在叶片分形尾缘上形成贯穿吸力面与压力面且垂直于风力机叶片的翼弦的分形网格结构。本发明的叶片分形尾缘上的分形网格结构较于普通网格结构更易产生小尺度湍流扰动从而达到更好的延迟叶片吸力面失速团的形成的效果，可以有效地对风力机叶片失速进行主动控制。
[0011]在本发明的一个具体实施例中，叶片分形尾缘上的多个孔的形状为基于任意一种几何图形的分形衍生而成，孔的形状根据不同叶片尾缘的结构的形状进行选取，只要符合分形网格中孔的形状与孔的分布形状具有自相似性并且能够使风顺利通过即可。
[0012]优选地，叶片尾缘上的多个孔的横截面形状为矩形。但本领域技术人员应该理解，叶片尾缘上的孔的横截面形状并不局限于此，其形状根据不同叶片尾缘的结构进行选取，只要符合分形网格中孔的形状与孔的分布形状具有自相似性并且能够使风顺利通过即可。
[0013]在本发明的一个具体实施例中，叶片主体和叶片尾缘均由玻璃钢材质制成，玻璃钢材料的强度高、重量轻且耐老化。
[0014]进一步地，在叶片主体的表面上缠有玻璃纤维且涂敷有环氧树脂，并且叶片主体的其他部分填充有泡沫塑料。这样，使得风力机叶片在具有稳定性的同时降低了整体质量，使得叶片在满足刚度的同时也增大了捕风面积。
[0015]本发明的风力机叶片是基于分形网格的特点而设计的，其提供了一种能够改善风力机叶片的失速特性的叶片结构，并且结构简单且制造方便。
【附图说明】
[0016]图1为示出了本发明的风力机叶片的翼型的剖面图；
[0017]图2为图1中的A向叶片分形尾缘中分形网格的向视图；
[0018]图3为翼型攻角的示意图；以及
[0019]图4为本发明工作原理示意图。
[0020]附图中:
[0021 ]I:叶片主体;2:叶片分形尾缘;3:攻角;4:来流；
[0022]5:翼弦6:叶片压力面;7:叶片吸力面;8:失速团；
[0023]9:小尺度湍流。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的说明，但不应以此限制本发明专利的保护范围。
[0025]图1为示出了本发明的一种基于分形学设计的风力机叶片结构的翼型的剖面图。本发明实例中的风力机叶片的翼型采用的是目前风电行业应用较广泛的荷兰DU翼型族中的DU40，但本发明的翼型结构并不限于此。
[0026]由图1可知，本发明的风力机叶片主要包括叶片主体I和叶片分形尾缘2。
[0027]叶片主体I可以为玻璃钢材质，叶片分形尾缘2也可以为玻璃钢材质，玻璃钢材质的特点为强度高、重量轻且耐老化。在玻璃钢的表面上可以缠有玻璃纤维并且可以涂敷有环氧树脂，其他部分则可以填充泡沫塑料，这样的布置使得叶片在具有稳定性的同时降低了质量，并且使叶片在满足刚度的同时也增大了捕风面积。
[0028]仍参照图1，在叶片尾缘2上形成有多个孔，这多个孔在叶片分形尾缘2上形成为垂直于如图3中示出的风力机叶片的翼弦5，并且贯穿叶片分形尾缘2的网状结构。
[0029]图2为图1中叶片分形尾缘2的A向上的网格具体示例图，多个孔在叶片分形尾缘2上形成分形网格结构，即，孔的分布形状与孔的形状存在自相似性，其中示例中的孔横截面形状为矩形。基于Hurst和Vassi Iicos等人的发现，分形网格结构相较于普通网格结构在过流面积一样的情况下更易产生小尺度湍流，稍后将参照图4详细地描述形成小尺度湍流的具体用处。本领域技术人员应理解，孔的形状并不限于如图2中所示的矩形，其还可以是其它几何形状，其形状根据不同叶片尾缘的结构进行选取，只要符合分形网格中孔的形状与孔的分布形状具有自相似性并且能够使风顺利通过即可。
[0030]图3为示出了本发明的风力机叶片的翼型攻角的示意图，其中，翼型攻角3定义为来流4与翼弦5之间的夹角。
[0031]由图3可知，叶片主体I相对于来流4(即，风的吹送方向)位于前部，叶片分形尾缘2相对于来流4(即，风的吹送方向)位于后部。叶片分形尾缘2在风力机叶片的翼弦5(图4示出)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根据不同风力机叶型进行配置。
[0032]图4为本发明的工作原理示意图，示出了本发明的主动控制风力机叶片的失速特性的工作原理。
[0033]在本领域中公知的是，当翼型攻角增大到一定数值时，叶片吸力面7的尾部附近将出现失速团8，因此，此时的翼型攻角被称为失速攻角。
[0034]重要的是，尽量增大失速团8出现的攻角。如图4所示，当翼型攻角3达到失速攻角时，其吸力面7将产生失速团8。但根据本发明，由于在叶片分形尾缘2上设置了采用分形学设计的网格框架，经过Hurst和Vass i I i cos等的实验发现，该类型的网格框架结构相较于普通网格框架更易产生小尺度湍流9，小尺度湍流9能够延迟失速团8的产生，从而增大了失速攻角。
[0035]更进一步地，分形网格框架结构能够延迟失速团的主要原理如下:叶片压力面6的气体受压差影响，通过叶片分形尾缘2的分形网格结构而流向压力较低的叶片吸力面7，并生成小尺度湍流9。该小尺度湍流9将干扰产生失速团8区域的流场，从而使得失速团8更难形成，而达到延缓失速团8的产生，增大了失速攻角的目的。
[0036]因此，本发明通过将风力机常用DU40翼型叶片的尾缘设计为分形网格框架结构，根据分形网格易产生小尺度湍流的原理，使其在叶片吸力面尾缘产生小尺度湍流而干扰产生失速团区域流场，抑制失速团产生，从而达到增大失速攻角改善风力机叶片失速特性的目的，并且其结构简单，便于实现，节约成本，可有效地对风力机叶片失速进行主动控制。
[0037]以上仅为本发明的较佳实施方式而已，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。
【主权项】
1.一种风力机叶片，包括叶片主体(I)和叶片分形尾缘(2)，其中，叶片主体(I)为相对于来流方向位于叶片的前部，叶片分形尾缘(2)相对于来流方向位于叶片的后部，在叶片分形尾缘(2)上分布有多个孔，这些孔贯穿整个风力机叶片的压力面(6)及吸力面(7)。2.根据权利要求1所述的风力机叶片，其中，叶片分形尾缘(2)的范围为基于来流方向从风力机叶片的翼弦(5)的五分之四处开始至叶片尾端。3.根据权利要求1或2所述的风力机叶片，其中，叶片分形尾缘(2)上的多个孔的形状与其分布形状具有自相似性，并且这些孔在叶片分形尾缘(2)上形成贯穿吸力面(7)与压力面(6)且垂直于风力机叶片的翼弦(5)的分形网格结构。4.根据权利要求3所述的风力机叶片，其中，叶片分形尾缘(2)上的多个孔的形状为基于任意一种几何图形的分形衍生而成，孔的形状根据不同叶片尾缘的结构的形状进行选取，只要符合分形网格中孔的形状与孔的分布形状具有自相似性并且能够使风顺利通过即可。5.根据权利要求1所述的风力机叶片，其中，叶片主体(I)由玻璃钢材质制成，并且在叶片主体(I)的表面上缠有玻璃纤维且涂敷有环氧树脂。6.根据权利要求1所述的风力机叶片，其中，叶片分形尾缘(2)由玻璃钢材质制成。
【专利摘要】本发明涉及一种基于分形学设计的风力机叶片。该风力机叶片包括叶片主体和叶片分形尾缘，其中，叶片主体为相对于来流方向位于叶片的前部，叶片分形尾缘相对于来流方向位于叶片的后部，在叶片分形尾缘上分布有多个孔，这些孔贯穿整个风力机叶片的压力面及吸力面。本发明的结构简单，抑制失速的机制易于实现，并且相较于被动控制失速特性的装置，其成本大大降低。
【IPC分类】F03D80/00
【公开号】CN105508150
【申请号】CN201510976933
【发明人】阳君, 李春, 叶舟, 袁全勇, 罗红, 张楠
【申请人】上海理工大学
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2015年12月23日