一种低噪声风力机叶片设计方法及低噪声风力机叶片技术

本发明专利技术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；本发明专利技术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。

Low noise wind turbine blade design method and low-noise wind turbine blade

The invention discloses a wind turbine blade design method of low noise and low noise of wind turbine blades, including the construction of the blade into the turbulent flow noise model, noise model, construction of airfoil blade construction of wind turbine aerodynamics model, calculating the blade aerodynamic noise and aerodynamic noise of construction of leaf seiyuu mathematical model of 5 steps; the invention to the design of low noise vane and how to reduce the noise of wind turbine blades has important theoretical significance, the new blade designed can effectively reduce the wind surrounding noise pollution.

【技术实现步骤摘要】
一种低噪声风力机叶片设计方法及低噪声风力机叶片
本专利技术属于机械设备
，具体涉及一种考虑低噪声特性的风力机叶片气动形状设计新方法，同时还涉及理论方法优化设计出来的一种新型风力机叶片气动外形。
技术介绍
风能是一种可持续的绿色能源，其开发前景已经得到世界各国的重视。而风力机作为将风能转化成电能的一种关键装备，一直是各国学者研究的热点。随着兆瓦级风力发电机的应用，其叶片的长度也越来越长，由于受到离心力、气动力及重力等交互作用的影响，使得风力机叶片的噪声污染问题越来越受到关注。以往研究大都集中在低噪声风力机翼型的设计及叶片的噪声预测等方面，很少有对如何设计低噪声风力机叶片进行研究。而设计低噪声风力机叶片，需考虑的因素很多，例如：风速、叶片弦长分布、扭角分布、俯仰角及翼型型线等均会影响叶片的噪声大小。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了低噪声风力机叶片设计方法及低噪声风力机叶片。本专利技术的方法所采用的技术方案是：1.一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：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：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：对于低频域，叶片湍流声压级为：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：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：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：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：α＝φ-θ(11)叶素处的合成入流速度vrel为：应用动量理论，推导出风力机的推力与扭矩为：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：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：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：式中Y1＝4Fsin2φ/(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：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：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：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：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；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。相对于现有技术，本专利技术的有益效果是：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。附图说明图1：本专利技术实施例的方法中叶片噪声计算流程图；图2：本专利技术实施例的方法中低噪声叶片优化流程图；图3：本专利技术实施例中优化前后叶片弦长分布示意图；图4：本专利技术实施例中优化前后叶片扭角分布示意图；图5：本专利技术实施例中新叶片外形效果图；图6：本专利技术实施例中优化前后风力机噪声频谱分布示意图；图7：本专利技术实施例中优化前后风力机功率系数分布示意图。具体实施方式为了便于本领域普通技术人员理解和实施本专利技术，下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术基于风力机动力学模型及叶片噪声计算理论，计算每个叶素的相对速度、雷诺数及马赫数等关键参数，并将这些参数引入到叶片噪声计算模型中，计算每个叶素的噪声功率级或声压级，根据噪声叠加原理，计算整个叶片的噪声特性。提出一种低噪声风力机叶片优化设计方法，针对某实际3MW风力机叶片，以功率系数与噪声比值最大为目标函数，以弦长及扭角分布为主要设计变量，约束叶根载荷。将动量叶素理论及噪声计算程序植入粒子群算法中，通过不断迭代求解最优解，并对比分析优化前后叶片噪声及气动特性。本专利技术提供的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；叶片入流湍流噪声主要是叶片与气流相互作用产生的涡形成的，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：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；为来自声音传播方向的影响因子；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：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：对于低频域，叶片湍流声压级为：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：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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：

【技术特征摘要】
1.一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：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：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：对于低频域，叶片湍流声压级为：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：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：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：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：α＝φ-θ(11)叶素处的合成入流速度vrel为：应用动量理论，推导出风力机的推力与扭矩为：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：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪泉，秦争争，洪星，王君，孙金风，魏琼，任军，杨智勇，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42