叶尖尾缘呈锯齿状结构的风力机叶片及风力机.pdf

本发明涉及风能发电技术领域，尤其是涉及一种叶尖尾缘呈锯齿状结构的风力机叶片，包括叶片本体，叶片本体的叶尖尾缘呈锯齿状，还提供有一种风力机，包括叶尖尾缘呈锯齿状的叶片、导流罩、发电机、控制器、蓄电池、逆变器和电流负载。本发明提供的一种叶尖尾缘呈锯齿状结构的风力机叶片，在水平轴风力机叶尖尾缘部位开槽，使叶尖尾缘呈锯齿状，在不增加成本的前提下对叶尖结构进行改进设计，工艺简单，费用低，便于一体化设计，可规模化生产。同时，在保证输出功率基本不变的情况下，降低风力机叶尖噪声，减少叶片的疲劳程度，延长风力机使用寿命。

权利要求书
1.  一种叶尖尾缘呈锯齿状结构的风力机叶片，其特征在于，包括叶片本体，所述叶片本体的叶尖尾缘呈锯齿状。

2.  一种尾缘呈锯齿状结构的风力机叶片，其特征在于，所述叶尖尾缘锯齿的长度为所述叶片本体长度的10％。

3.  一种风力机，其特征在于，包括如权利要求1所述的叶尖尾缘呈锯齿状的叶片、导流罩、发电机、控制器、蓄电池、逆变器和电流负载；
所述导流罩位于所述叶片的前端，所述发电机位于所述叶片的后部，所述发电机、所述蓄电池均与所述控制器电连接，所述蓄电池、所述电流负载均与所述逆变器电连接。

说明书叶尖尾缘呈锯齿状结构的风力机叶片及风力机
技术领域
本发明涉及风能发电技术领域，尤其是涉及一种叶尖尾缘呈锯齿状结构的风力机叶片和具有锯齿状叶尖结构叶片的风力机。
背景技术
随着风能产业的快速发展，风电场距离居民区越来越近，风力机气动噪声问题日益凸显，在国外已经引起了一些环保组织的关注，并陆续收到来自风电场附近居民的投诉。为此，各国都相继制定了对风力机气动噪声进行严格限制的条例。风力机气动噪声问题已成为目前限制风力机发展的主要因素之一，因此亟待发展有效的风力机气动噪声抑制技术。
风力机叶尖是气动力产生的主要区域，有限长度的叶片旋转运动时，由于叶尖压力面和吸力面的压力差，导致压力面气流绕过叶尖端面流入吸力面，既破坏了叶尖二维流动情况，同时会产生叶尖涡。叶尖涡是造成叶片效率减小、疲劳载荷增加的主要原因之一。为了提高风力机的风能利用系数和降低风力机噪声，世界各国的研究者提出了各种各样的方法，如采用气动性能优化的叶片、设计低噪高效的翼型，在风轮外围增加扩散器(Diffuser)、在后缘添加襟翼，在叶尖添加小翼(Tip Vane)等。以上研究方法都是在叶片设计完成后通过在叶片上添加气动原件和设计新叶片来改变风力机气动特性以降低风力机气动噪声，而没有从叶片设计根源入手解决问题。
发明内容
本发明在水平轴风力机叶尖开槽，使叶尖结构变化，叶尖尾缘呈锯齿状，在不增加成本的前提下对叶尖结构进行改进设计，降低风力机叶尖噪声，减少叶片的疲劳程度，延长风力机使用寿命。
本发明提供的一种叶尖尾缘呈锯齿状结构的风力机叶片，其特征在于，包括叶片本体，叶片本体的叶尖尾缘呈锯齿状。
进一步地，叶尖尾缘锯齿的长度为叶片本体长度的10％。
本发明还提供了一种风力机，包括叶尖尾缘呈锯齿状的叶片、导流罩、发电机、控制器、蓄电池、逆变器和电流负载；导流罩位于叶片的前端，发电机位于叶片的后部，发电机、蓄电池均与控制器电连接，蓄电池、电流负载均与逆变器电连接。
本发明提供的一种叶尖尾缘呈锯齿状结构的风力机叶片，在水平轴风力机叶尖尾缘部位开槽，使叶尖尾缘呈锯齿状，在不增加成本的前提下对叶尖结构进行改进设计，工艺简单，费用低，便于一体化设计，可规模化生产。同时，在保证输出功率基本不变的情况下，降低风力机叶尖噪声，减少叶片的疲劳程度，延长风力机使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的叶尖尾缘呈锯齿状结构的风力机叶片叶尖部位的示意图；
图2为本发明实施例提供的风力机近尾迹区域旋转角度为90°时测试截面测点布置示意图；
图3为本发明叶尖改型前后风力机的风速和功率的关系变化曲线图；
图4为本发明叶尖改型前后风力机的风速和风能利用系数变化曲线图；
图5为本发明叶尖改型前后风力机在尖速比λ＝7.5，x＝30cm，测试旋转角为90°的7个测点旋转基频噪声变化图；
图6为本发明叶尖改型前后风力机在尖速比λ＝7.5，x＝30cm，测试旋转角为90°的7个测点的叶尖涡脱落频率噪声变化图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明提供的一种叶尖尾缘呈锯齿状结构的风力机叶片，其特征在于，包括叶片本体，叶片本体的叶尖尾缘呈锯齿状。锯齿叶尖尾缘的几何参数包括锯齿高度H和叶尖尾缘锯齿长度L，长度L为叶片本体长度的10％。
本发明还提供了一种风力机，包括叶尖尾缘呈锯齿状的叶片、导流罩、发电机、控制器、蓄电池、逆变器和电流负载；导流罩位于叶片的前端，发电机位于叶片的后部，发电机、蓄电池均与控制器电连接，蓄电池、电流负载均与逆变器电连接。
基于风力机空气空力学理论，详细分析研究叶片关键参数(如叶尖速比、风轮直径、雷诺数、翼型气动性能及叶片载荷等)对风力机性能的影响；进而在整个叶片设计上采用全新设计的风力机翼型系列，提出以最大功率系数及单位面积发电量最大为多目标优化模型，以弦长、扭角为设计变量，有效控制叶片载荷以提高叶片疲劳寿命，建立新型风力机叶片设计及优化数学模型。应用该设计模型，在计算功率系数、推力系数和转矩系数时，将各微元叶素面的局部功率系数、推力系数和转矩系数进行多段累加求和，得到整个叶片的气动性能系数。采用该方法对风力机叶片外形和叶尖外形进行设计和改型，得到叶尖尾缘呈锯齿状的风力机叶片。
设计具体步骤：
第一步考虑风力机叶片实际风场的概率分布，对风力机设计特征风速进行计算和分析；
第二步通过比较分析，选取气动性能良好风力机翼型；以风力机的单位面积发电量为目标函数，采用动因子连续多段叠加法结合已开发的优化设计软件，确定叶片关键参数，设计模型风力机叶片；
第三步对风力机翼型所构造的叶片外形参数进行局部改良和修型，主要针对叶尖改型，得到叶尖尾缘呈锯齿状的风力机叶片。
为了准确全面测试叶尖尾缘呈锯齿状和叶尖尾缘无锯齿的风力机的噪声特性，利用声阵列法对距离风轮旋转平面30cm截面旋转角度为90°时的测试线上7个测点进行测试。其测试区域三维坐标 轴定义为，与风轮旋转轴垂直且通过风力机叶片叶尖翼型前缘点的平面定义为风轮旋转平面，风轮旋转轴与该平面的交点为风轮旋转中心，沿风轮旋转中心向风轮旋转平面径向方向向外水平移动30cm设置为坐标原点O。测试线上的每个测点间隔10cm，具体测试布置示意图2所示。
在本实施例中，测试锯齿叶尖尾缘结构参数为高度H＝0.87cm，锯齿形状为等边三角形尖齿，夹角为60°，叶尖尾缘锯齿整体长度L＝6.5cm的风力机的外特性，与未改型风力机进行对比。测试方法利用负载不变，改变来流风速的试验法测量风力机输出功率和风能利用系数Cp的变化，其结果见图3和图4。由图3可以看出，在3-8m/s风速范围锯齿叶尖尾缘结构的风力机输出功率低于未改型叶尖风力机输出功率，在8-14m/s的风速范围锯齿叶尖尾缘结构的风力机输出功率明显高于未改型叶尖风力机输出功率。同样由图4可以看出，在3-8m/s风速范围锯齿叶尖尾缘结构的风力机风能利用系数低于未改型叶尖风力风能利用系数，在8-14m/s的风速范围锯齿叶尖尾缘结构的风力机风能利用系数明显高于未改型叶尖风力机风能利用系数。锯齿叶尖尾缘结构的风力机风能利用系数最大值0.354出现在来流风速为4m/s，未改型叶尖风力机风能利用系数最大值0.364出现在来流风速为5m/s。由此可见，锯齿叶尖尾缘结构对风力机动力性能在中高风速段有较大影响，在低风速段影响较小。额定风速13m/s所对应功率分别为未改型叶尖风力机316W，锯齿叶尖尾缘结构的风力机313W。通过计算，锯齿叶尖尾缘结构的风力机功率下降0.95％。由此可知，改型后的叶尖尾缘锯齿形结构风力机对风力机功率和风能利用率影响不大。
在本实施例中，通过对额定尖速比λ＝7.5下叶尖改型前后水平轴风力机风轮叶尖下游三维区域噪声频谱图的分析，风力机叶尖区域噪声的频谱图是主要是由风轮叶片的旋转基频及谐波、叶片旋转产生的叶尖涡脱落频率、风洞动力风扇旋转产生的频率构成。我们采用锯齿叶尖尾缘结构参数为高度H＝0.87cm，锯齿形状为等边三角形尖齿，夹角为60°，叶尖尾缘锯齿整体长度L＝6.5cm的风力机，然后测试未改型和改型后的风力机在来流风速13m/s时，尖速比λ＝7.5，x＝30cm测试旋转角为90°的7个测点的旋转基频72Hz所对应的旋转噪声变化见图5，叶尖涡脱落频率357Hz所对应的叶尖噪声变化见图6。
由图5可见，锯齿型叶尖尾缘结构对风轮的旋转噪声产生的影响，使旋转基频及其谐波关系的频率所对应的频谱图峰值有明显下降趋势，其旋转基频噪声变化值波动范围在-0.71％至-4.95％，平均降低了2.83％。发现在测点5和测点6有叶尖涡通过，使得测点5和测点6旋转噪声的声压值升高。从图6可见，锯齿型叶尖尾缘结构对叶尖涡噪声值产生的影响，其叶尖涡噪声变化值波动范围在-0.99％至-5.71％，平均降低了3.76％，并且进一步证明在测点5和6之间有叶尖涡通过，使得该点叶尖涡噪声的声压值升高，但是都低于未改型叶尖。由此可知，改型后的锯齿型叶尖尾缘结构有效降低风力机叶尖噪声。
通过风力机外特性测试发现锯齿叶尖尾缘结构对风力机动力性能在中高风速段有较大影响，在低风速段影响较小。在来流风速为13m/s，尖速比λ＝7.5下，通过对锯齿型叶尖尾缘结构风力机与叶尖未改型风力机的叶尖下游测试旋转角为90°的7个测点测试，发现锯齿型叶尖尾缘结构使风轮旋转基频及其谐波关系的频率所对应 的频谱图峰值有明显下降的趋势，平均降低了2.83％。同时锯齿型叶尖尾缘结构对叶尖涡的脱落频率所对应的频谱图峰值产生影响，使之最大降低5.71％。
通过对叶尖结构的改型，本发明提供的一种叶尖尾缘呈锯齿状结构的风力机叶片和风力机，在保证输出功率基本不变的情况下，降低风力机叶尖噪声，减少叶片的疲劳程度，延长风力机使用寿命。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。