基于鸮翼生物特征的低噪声的仿生耦合风力机叶片制造技术

本发明专利技术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，获得本发明专利技术中的风力机叶片，本发明专利技术的叶片与翼型为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，本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
基于鸮翼生物特征的低噪声的仿生耦合风力机叶片
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。附图说明图1为本专利技术的一种基于鸮翼生物特征的低噪声的仿生耦合风力机叶片的结构正视图。图2为本专利技术的一种低噪声的仿生耦合风力机叶片的截面示意图。图3本专利技术的一种原型为NACA4412风力机叶片的截面示意图。图4为本专利技术的仿生叶片翼型，即鸮翼沿展向60%截面翼型。图5为本专利技术的非对称锯齿结构示意图。图6为本专利技术的非对称锯齿结构所在叶片位置示意图。图7为本专利技术的仿生耦合叶片与原型叶片的声压级对比示意图。图中：1-叶片主体、2-非对称锯齿尾缘、3-连接轴、4-风力机轮毂、5-NACA4412翼型、6-鸮翼60%截面翼型。具体实施措施下面将结合本专利技术中的附图，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。参阅图1，本专利技术提供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1和非对称锯齿尾缘2，三个叶片为一组，与连接轴3、轮毂4共同构成低噪声仿生耦合风力机。叶片主体由鸮类翅膀沿展向60%处的截面翼型重构而成，鸮类在滑翔过程中，有着良好的静音飞行的特性，这种静音飞行的特性与鸮类特殊的翼型结构有着很大的关系，40%至60%截面作为鸮类翅膀承载气动特性和声学特性的主要部分，其中60%截面翼型的声学特性更优，翼型的提取是通过Matlab对鸮翼60%截面处的翼型点进行数据拟合，然后借助Semilogy函数对曲线进行光顺化处理后获得的，如图4所示，翼型由前缘半径、弦长、弯度等参数构成，叶片的重构方法是依据Glauert设计理论，首先根据叶素理论对风力机叶片进行分段，测出每段叶片截面弦长c，接着使用相同弦长的仿生翼型进行替换，最后构建出仿生叶片，图2为翼型为NACA4412的原型叶片，图3为重构后的仿生耦合叶片，以看出相比原型叶片，重构后的仿生耦合叶片前缘半径更小，可以有效的减小叶片前缘的迎风面积，叶片的厚度分布更加均匀，可以有效的减缓湍流边界层的分离，从而降低叶片因边界层分离而产生的气动噪声，叶片的弯度更大，使叶片上下表面的气流流速差增大，从而使叶片上下表面的压力差变大，进而获得更好的气动性能。非对称锯齿尾缘的设计思路来源于鸮类翅膀最外侧羽毛前缘处的锯齿结构，鸮类羽毛与其他鸟类羽毛相比，差别最大的地方就在于翅膀最外侧初级飞羽的特殊结构，这被认为是鸮类能够静音飞行的关键原因之一，因此提取该羽毛的结构来设计低噪声风力机叶片是有必要的。通过对鸮类翅膀最外侧初级羽毛的观察和分析，以三个参数来设计非对称锯齿尾缘，三个参数分别为：锯齿与翅膀展向的夹角、锯齿宽度、锯齿间距，根据羽毛结构的测量数据，考虑到工程实际的需要，根据叶片尺寸，对三个参数的取值范围进行了限制，当叶片长度为1.3m时，锯齿与展向夹角限制在30°至50°之间，锯齿宽度限制在10mm至15mm之间，锯齿间距限制在0至4mm之间，并将三个数据在各自限制区间内设置三个水平级，以探寻最优的锯齿参数组合。通过正交试验的方法，对不同参数下的锯齿尾缘进行了研究，试验结果显示：锯齿与展向夹角在40°，锯齿宽度在15mm，锯齿间距在0mm的锯齿尾缘声学性能最优，决定以此参数来进行非对称锯齿尾缘的构建，考虑到叶片沿展向70%至100%处流体流速最大，因此将非对称锯齿结构耦合在该范围内可以最大限度的发挥其降噪特性，并有效的降低设计的成本，设计位置如图6所示。至此，完成对低噪声仿生耦合叶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低噪声仿生耦合风力机叶片，其特征主要包括叶片主体（1）、非对称锯齿尾缘（2）、连接轴（3）和轮毂（4）四个部分组成。/n

【技术特征摘要】
1.一种低噪声仿生耦合风力机叶片，其特征主要包括叶片主体（1）、非对称锯齿尾缘（2）、连接轴（3）和轮毂（4）四个部分组成。


2.根据权利要求1所述的低噪声仿生耦合风力机叶片，其特征在于：所述的叶片主体（1）采用鸮类翅膀沿展向长度60%处的翼型截面，该翼型截面通过逆向重构工程获取鸮类翅膀60%截面处的翼型点，通过软件对翼型点进行了拟合，并借助SEMILOGY函数对拟合后曲线进行光顺化处理，以获得对应的截面翼型。

【专利技术属性】
技术研发人员：陈坤，李一枭，高瑞彪，魏建晖，赵培尧，
申请(专利权)人：新疆大学，
类型：发明
国别省市：新疆;65