[发明专利]风力机叶片尾缘及叶尖增升降噪的柔性仿生羽毛带

说明书

技术领域

本发明属于风能利用领域，是一种通过仿生技术控制叶片脱落涡、尾迹和叶尖涡来提高叶片升力降低噪声的结构。

技术背景

风力机是将风能转化为电能的机械装置。与其他清洁能源技术相比，风电技术更加成熟可靠，因此风能也被认为是21世纪最有可能替代化石能源的清洁能源。但是风力机仍然存在一些局部的技术问题，比如在叶片顶部存在叶尖涡，叶尖涡的产生降低了叶顶局部区域的升力，叶展绝大部分区域的尾缘处产生脱落涡和尾迹，这些涡量也是风力机噪声的主要来源。采用何种方式降低风力机叶尖涡强度、降低叶片脱落涡和尾迹的强度，达到不损害或较小的损害叶片升力又能降低风力机的噪声等级？这是所有风力机行业的研究人员都关心的问题。

现有技术大致有三种解决方案：1、US7901189和US8043066专利提出采用多孔的阻尼柔性材料吸收叶片表面、叶尖和尾缘的振动能量降低噪声；2、EP1886016A1、US8038396、US8157532专利采用叶片吸力面壁面安放不同形状的涡流发生器的方式促进附面层的转捩，抑制分离降低脱落涡和尾迹的强度进而降低噪声等级；3、CN102465827专利提出采用了锯齿和硬毛结构，US7976276和US8083488专利提出采用锯齿结构替代叶片的传统尾缘。第一类方案在一定程度上可以起到降低了噪声的作用，但对叶片的升力性能并未有明显的改进；第二类方案虽然降低了噪声，但增加了叶片吸力面附面层损失，尾迹的强度会有所增加；第三类方案中紧贴尾缘部的锯齿在降低脱落涡和尾迹强度有一定的效果，主要起到降噪的作用，增加升力的效果不明显，叶尖涡的强度不能采用此方法改进加以抑制。

发明内容

为了更好地解决风力机行业存在的降低叶尖涡强度、降低叶片脱落涡和尾迹的强度进而降低噪声等级的难题，本项发明考察了高空中飞行的鹰用羽翼后端羽毛控制脱落涡和尾迹、用羽翼尖部的控制翼尖涡的行为，鹰飞行所产生的噪声水平极低，从鹰使用翼后部和尖部的羽毛控制流动的机理上提出抑制风力机叶尖涡、降低叶片脱落涡和尾迹的强度的有效方法，与此同时降低风力机的气动噪声等级。具体地说，本项发明采用下述技术方案来提升风力机叶片的升力和降低风力机的噪声等级：

本发明所述的风力机叶片尾缘及叶尖增升降噪的柔性仿生羽毛带，由轻质柔性材料制作，其一端固定于风力机叶片的尾部和叶尖部，另一端可由风力机尾部和叶尖部两侧压力差的作用下发生柔性变形。其中，柔性仿生羽毛带中的仿生羽毛呈层叠状排列，后一片仿生羽毛压在前一片仿生羽毛的部分上，相邻的仿生羽毛间存在细小缝隙，仿生羽毛是可以随两侧压力差的变化作小范围的柔性变形，风力机的压力面和吸力面的附面层流体可以从相邻的层叠在一起的仿生羽毛的缝隙里穿过后形成尾迹，也可以沿仿生羽毛带整体的外表面流过，在柔性仿生羽毛带形成的锯齿的间隙里面汇合后脱落形成尾迹，风力机翼尖压力面流体可以从相邻的层叠在一起的仿生羽毛的缝隙里穿过后形成尾迹，也可以沿仿生羽毛带整体的外表面流过后，再绕过柔性仿生羽毛带形成的锯齿的间隙形成叶尖涡。

叶尖部连接的柔性仿生羽毛带的承力支架是柔性的，位于仿生羽毛的迎风轮廓线上，仿生羽毛面上存在倾斜的细密的仿生羽丝，可以通过柔性细带固定于风力机叶尖部，也可以直接固定在风力机的叶尖部。

尾部连接的柔性仿生羽毛带的承力支架也是柔性的，位于仿生羽毛的迎风轮廓线的轴对称线上，仿生羽毛面上存在倾斜的细密的仿生羽丝，作为优选细密仿生羽丝与承力支架呈30°夹角，仿生羽毛可以通过柔性细带固定于风力机尾部，也可以直接固定在风力机尾部。

本项发明利用鹰通过羽翼在高速飞行时对叶尖涡、脱落涡及尾迹的控制机制，设计了可应用于现有风力机叶片的层叠状尾缘及叶尖增升降噪的柔性仿生羽毛带。叶尖部连接的柔性仿生羽毛带通过柔性变形延长了与叶尖压力面绕流气体的作用时间，柔性仿生羽毛带能产生升力，并提供了绕流气流从仿生羽毛层叠缝隙、仿生羽毛叶顶锯齿空隙、绕过仿生羽毛尖三种方式通过，极大地削弱了叶尖涡，可有效改善传统风力机叶片因产生较高强度的叶尖涡而带来叶顶区域升力下降的问题。尾部连接的柔性仿生羽毛带通过柔性变形延长了与叶展压力面附面层气体的作用时间，阻隔了原来尾缘处由压力面流向吸力面脱落涡形成，为附面层气体提供了从仿生羽毛层叠缝隙、仿生羽毛叶顶锯齿空隙、绕过仿生羽毛尖三种通过方式，极大地削弱了脱落涡，提高了叶展尾部的升力。仿生羽毛带表面的细密羽丝对流经其表面的叶尖和尾部的具有附面层气体进行了梳理，降低了尾迹中的湍动能，降低了尾迹的噪声等级，再结合叶尖和尾部的仿生羽毛带对叶尖涡、脱落涡强度的削弱，最终从整体上降低了风力机的噪声等级。