[发明专利]一种低噪声风力机叶片设计方法及低噪声风力机叶片

摘要

本发明公开了一种低噪声风力机叶片设计方法及低噪声风力机叶片，包括构建叶片入流湍流噪声模型、构建叶片翼型噪声模型、构建风力机空气动力学模型、计算叶片气动噪声和构建叶片气动噪声优化数学模型5步骤；本发明对于如何设计低噪声叶片及怎样降低风力机叶片噪声具有重要的理论意义，所设计出来的新型叶片能够有效的降低风电场周边噪声污染。

主权项

一种低噪声风力机叶片设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：构建叶片入流湍流噪声模型；叶片流湍流噪声频域包括高频和低频两个区域；对于叶片高频域，叶片湍流声压级为：SPLinflowH=10log10[Dh‾ρ2c02LΔlr2Ma3I2k3^(1+k2^)-7/3]+54.8---(1)]]>其中，ρ为空气密度；c0为声速；L为大气湍流长度因子；△l为叶片翼段长度；为修正波动长度；Ma为来流的马赫数，是来流相对速度U与音速c0的比值；I为湍流密度；为高频声音方向函数；r为观察者到声源距离；湍流密度I是表面粗糙度z0和叶片距地面高度z的方程，风力机叶片沿展向不同位置的湍流密度为：I=γlog(30/z0)log(z/z0)---(2)]]>式中γ为幂律系数，为γ＝0.24+0.096log10z0+0.016(log10z0)2；长度因子L为表面粗糙度z0和叶片距地面高度z的表达式：L=25z0.35z0-0.063---(3)]]>对于低频域，叶片湍流声压级为：SPLinflow=SPLinflowH+10log10(Kc1+Kc)---(4)]]>其中，Kc为低频域修正因子；步骤2：构建叶片翼型噪声模型；包括翼型湍流边界层尾缘噪声模型及失速噪声模型；翼型湍流边界层尾缘噪声是由湍流边界层在压力面产生的噪声SPLp与在吸力面产生的噪声SPLs之和：SPL1=10lg{10SPLs/10+10SPLp/10}---(5)]]>SPLs=10lg(δs*Ma5ΔlDh‾r2)+A(StsSt1)+(W1-3)---(6)]]>SPLp=10lg(δp*Ma5ΔlDh‾r2)+A(StpSt1)+(W1-3)+ΔW1---(7)]]>其中，尾缘噪声是关于吸力面尾部边界层相对厚度和压力面尾部边界层相对厚度的函数，与翼型的攻角α和来流的雷诺数Re有关；St为斯特劳哈尔数，其中St1＝0.02Ma‑0.6，Ma为马赫数，Stp、Sts分别为压力面斯特劳哈尔数和吸力面斯特劳哈尔数；为高频声音方向函数；r为观察者到声源距离；A为频谱形状函数；W1为振幅函数；△W1为声压级修正函数；△l为叶片翼段长度；失速噪声为：SPL2=10lg(δs*Ma5ΔlDh‾r2)+B(StsSt2)+W2---(8)]]>式中，W2为振幅函数；B为频谱形状函数；步骤3：构建风力机空气动力学模型；风力机后尾流旋转时，来流风速在x、y方向的速度分量vx、vy为：vx=v0(1-a)vy=ωrb(1+b)---(9)]]>其中，v0为风速，ω为风力机旋转角速度(rad/s)，rb为叶素沿叶片展向位置，a、b为轴向诱导因子和周向诱导因子；叶素处的入流角φ和攻角α分别为：φ=arctan(1-a)v0(1+b)ωr---(10)]]>α＝φ‑θ  (11)叶素处的合成入流速度vrel为：vrel=vx2+vy2=(1-a)2v02+(1+b)2(ωr)2---(12)]]>应用动量理论，推导出风力机的推力与扭矩为：dT=4πρv02aF(1-aF)rdr---(13)]]>dM=4πρωv0bF(1-aF)r3dr---(14)]]>式中N表示风力机叶片数，R为叶片长度；应用叶素理论，推力和扭矩为：dT=12Nρcvrel2F1Cndr---(15)]]>dM=12Nρcvrel2F1Ctrdr---(16)]]>其中Cn、Ct分别为法向力系数和切向力系数；式15中的F1为法向力系数修正因子，式16中的F1为切向力系数修正因子：F1=2πcos-1[exp(-gN(R-r)2rsinφ)]---(17)]]>g＝exp[‑0.125(Nλ‑21)]+0.1  (18)其中λ为叶尖速比；联立(6)～(9)，求出轴向诱导因子a和周向诱导因子b为：a=2+Y1-4Y1(1-F)+Y122(1+FY1)---(19)]]>b=1(1-aF)Y2/(1-a)-1---(20)]]>式中Y1＝4F sin2φ/(σCnF1)，Y2＝4Fsinφcosφ/(σCtF1)；σ＝Nc/(2πr)，c表示叶片翼段弦长；步骤4：计算叶片气动噪声；步骤5：构建叶片气动噪声优化数学模型；步骤5.1：构建目标函数f(x)；f(x)＝max(Cp/SPLtotal)  (21)其中，Cp为风力机功率系数，SPLtotal为叶片气动噪声；风力机功率系数Cp为：Cp=Pρvrel3A/2---(22)]]>其中，P表示风力机功率；基于动量叶素理论，经过微积分变换，风力机功率系数另一种表达式为：Cp=8λ2R4∫0Rb(1-a)r3dr---(23)]]>叶片沿展向看作是由若干翼段组成，每个翼段噪声计算采用叶片入流湍流噪声计算公式及叶片翼型噪声计算公式预测；对于第i个翼段，其噪声计算公式为：SPLtotali=10log10(Σj100.1(SPLj+KA))---(24)]]>其中，j表示不同噪声源，包括叶片入流湍流噪声、翼型尾缘噪声及翼型失速噪声；KA为加权过滤值(dB)；则整个叶片噪声声压级预测由若干翼段噪声声压级或者功率级叠加：SPLtotal=10log10(Σj100.1SPLtotali)---(25);]]>步骤5.2：设计变量及约束条件；选取叶片弦长及扭角沿叶片展向变化作为设计变量，其约束范围为： 弦长c/m扭角θ(°)最大值4.016.00最小值0.0‑6.00对风力机叶根挥舞弯矩Mflap及扭矩MT进行约束；Mflap=12ρN∫0RV02(1-a)2sin2φcCnrdr≤Mflap,max---(27)]]>MT=12ρN∫0RV0(1-a)wr(1+b)sinφcosφcCtrdr≤MT,max---(28)]]>其中，Mflap,max表示风力机叶根挥舞弯矩的最大值，MT,max表示风力机叶根挥舞扭矩的最大值；步骤5.3：采用粒子群算法步骤5.1中的目标函数进行优化。