[发明专利]基于鸮翼生物特征的低噪声的仿生耦合风力机叶片

说明书

本发明专利涉及水平轴风力发电机的工程仿生领域，公开了一种基于鸮翼生物特征的低噪声的仿生耦合风力机叶片，包括叶片主体、非对称锯齿尾缘、连接轴与轮毂四个部分，叶片主体采用鸮翼沿展向60%处的截面翼型进行设计，非对称锯齿尾缘根据鸮翼初级飞羽的锯齿结构进行设计，并布置在叶片尾缘沿展向70%至100%处，通过对鸮翼生物翼型与非对称锯齿结构进行耦合设计，获得本发明中的风力机叶片，本发明的叶片与翼型为NACA4412的传统水平轴风力机叶片相比，有着更优秀的气动性能与声学性能，本发明的叶片设计方法为传统的叶片降噪方法提供了新的设计思路，对风电产业的绿色可持续发展有着重要意义。

技术领域

本发明涉及水平轴风力发电机组领域，具体为一种基于鸮翼生物特征的低噪声的仿生耦合风力机叶片。

背景技术

风能作为最具发展前景的清洁能源之一，其相关技术近年来得到了快速的发展，越来越多的风电场开始建设，这也不可避免的使风电场更加靠近居民区，风力机所产生的噪声问题急需解决。

风力机所产生的噪声大体可分为机械噪声与气动噪声，其中气动噪声占主要部分，机械噪声多是由风力机机舱中齿轮及其他零部件震动产生，气动噪声主要是湍流与叶片接触后所产生。

风力机叶片作为风力机接收风能的关键部件，其性能的优劣对风力机的工作效率有着很大的影响，传统的降低叶片气动噪声的方法虽然对气动噪声有一定的抑制作用，但往往会对叶片的气动性能产生一定的影响。

仿生学是研究生物系统的结构性质、能量转换和信息传递与处理的原理，并将所获得的知识用来解决现存的问题的一门学科，用仿生学的思维和方法解决实际问题是目前研究的一个新的热点。

鸟类翅膀在滑翔过程中的工作环境与风力机叶片工作环境相类似，鸮类独特的静音飞行能力与其翅膀的特殊结构密不可分，通过对鸮类翅膀特殊翼型与结构的分析，掌握其静音飞行的机理，并将其运用于新型仿生耦合风力机叶片的设计中，这对于设计低噪声风力机叶片是一种可行的方法。

发明内容

本发明涉及一种低噪声仿生耦合风力机叶片，目的是针对传统的低噪声风力机叶片无法兼顾气动性能与气动声学性能的问题，使设计出的风力机叶片能够在不损失气动性的前提下，有效的降低叶片的气动噪声。

本发明的特征在于叶片主体的仿生翼型与叶片尾缘处的锯齿结构。

进一步地，叶片主体由鸮类60%翼展截面翼型在NACA4412叶片上的基础上重构而成，仿生翼型由弦长、厚度、弯度和前缘半径组成，具体特征如下：弦长为c时，翼型最大厚度的取值范围为0.47c~0.62c之间，所在弦长c的8.69%~12.4%处。最大弯度的取值范围为0.66c~0.84c之间，所在弦长的51.4%~61.7%之间。本叶片翼型相比NACA4412翼型，前缘半径更小，可以减小前缘的迎风面积；厚度更小，可以有效的延缓边界层的分离，减小升力损失，降低由边界层脱落引起的气动噪声；弯度更大，可以使流经叶片上下表面的上下气流的流速差变大，从而增大上下表面的压力差，提升叶片的气动性能。本叶片翼型可以有效的改善叶片前缘处的压力脉动强度，提升叶片上下表面的压力差，从而提高翼型的气动性能，本叶片翼型可以使局部区域声源强度降低，削弱了叶片尾迹所产生的涡流噪声对整体声压级的影响。

进一步地，非对称锯齿结构通过提取鸮类翅膀最外侧初级飞羽的前缘形状结构获得，非对称锯齿结构在设计时考虑锯齿与展向夹角，锯齿宽度，和锯齿间距三个参数，根据测量结果和工程实际需要，将锯齿与展向夹角的取值范围限制在30°~50°之间，锯齿宽度的取值范围限制在10mm~15mm之间，锯齿间距限制在0~4mm之间，通过正交试验筛锯齿参数为锯齿与展向夹角为40°，锯齿宽度为15mm，锯齿间距为0时，叶片的声学性能达到最优值，考虑到设计成本与使用效率的问题，在叶片沿展向70%至100%处构建非对称锯齿结构，构建方式为内嵌式，添加非对称锯齿尾缘后，可以有效改善叶片尾缘涡，使涡量分布更加均匀，可以有效的提高叶片的气动性能；在声学方面，添加非对称锯齿尾缘后，可以有效降低叶片的尾缘噪声，尤其是在低频与中频区域。