[发明专利]一种仿生前缘风电叶片及优化设计方法

说明书

本发明提供了一种仿生前缘风电叶片，叶片前缘为仿生前缘，所述仿生前缘为在叶片前缘周期型分布的正弦规律变化的凸起前缘。凸起前缘的叶片提升了风电叶片气动性能，同时降低了叶片气动噪声的产生。解决了大型风电叶片由于流动分离而引起的气动性能下降与气动噪声显著的问题。

技术领域

本发明属于工程应用技术领域，具体涉及一种仿生前缘风电叶片。

背景技术

近年来，风力发电的优势被越来越多的人所接受，但是因为地形地貌等原因导致不同的风资源呈现不同的气候特点，风电场所处的环境差别较大，导致大型风电机组的运行环境较为复杂、多变，实际的入流风速时刻发生变化。风电机组在运行过程中，叶片的局部攻角发生不稳定的变化，导致叶片表面的流动分离极为严重。此外，随着风电产业的大幅度发展，为了提高风能利用率，降低发电成本，风电叶片大型化成为主要的发展趋势。然而，叶片长度的增加进一步加剧了叶片表面三维分离效应的增加，引起叶片气动力性能严重恶化，风电机组的发电效应显著下降。同时，在风电叶片高速旋转运行过程中，由于流动分离带来的叶片气动噪音会对周围环境产生明显影响，这在很大程度上制约了风电产业的发展。如何能有效地抑制风电叶片表面流动分离的产生，提高风电叶片发电功率，同时降低气动噪声的产生，成为促进风电产业大幅度、高质量发展的关键。

现有技术中的流动分离控制技术主要包括主动控制与被动控制两类。其中，主动控制方法通过将外部的能量引入至叶片表面流体中，使流体保持不分离，较为常见的主动控制方法包括循环控制、合成射流、吹吸气流动控制以及等离子体扰动等方法，但是，主动控制方法存在较明显的缺点，首先，主动控制方法的结构较为复杂，生产成本较高，并且，在风电叶片前期实际的安装过程中对技术的要求较高。此外，由于风电叶片恶劣、多变的运行环境，主动控制方法复杂的装置系统也在很大程度上增加了后期运维的成本；其次，由于主动控制方法需要外部提供能量，进而导致了额外的能量损耗，基于提高大型风电叶片发电效率的目的，通过大量的外部能量供应来实现流动控制会降低控制方法整体的经济效益；最后，大型风电叶片的工作环境较为复杂、多变，风电机组来流的风速与风向时刻发生变化，主动控制方法对风况的响应速度与系统信号的传输精度也很难满足风电叶片的工作需求。

被动控制方法通过改变叶片外部形状与结构，或在叶片表面添加气动力附件，促进边界层保持附着流动，实现对流动分离抑制，常见的被动控制方法主要有前缘转捩、尾缘襟翼、涡流发生器以及微型流体扰动器等等。相对于主动控制方法，被动控制方法的生产成本较低，没有复杂的控制系统与信号传输装置，成本较低，经济性较好。并且对于风电叶片而言，被动控制方法简单的结构使得安装与拆卸更加方便，并不需要后期的维护。然而，目前所研究的被动控制方法大都针对改善叶片的气动力性能，对于噪声的降低作用并不明显，针对风电叶片同时对气动、噪声性能的需求并不能很好地满足。

因此，需要提供一种仿生前缘风电叶片，用以实现对风电叶片流动分离的控制，以此来解决风电叶片由于流动分离而引起的气动性能下降，以及气动噪声严重的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明目的在于提供一种仿生前缘风电叶片，叶片前缘为仿生前缘，所述仿生前缘为在叶片前缘周期型分布的正弦规律变化的凸起前缘。

本发明所提供的仿生前缘风电叶片，还具有这样的特征，所述凸起前缘的幅值和波长基于风电机翼型的气动力性能与气动噪声水平确定。

所述凸起前缘的幅值和波长基于风力机翼型的气动力性能与气动噪声水平确定。

本发明的另一目的在于，提供一种如上述任一项所述仿生前缘风电叶片的优化设计方法，所述方法包括如下步骤：

S1：仿生前缘风电叶片前缘翼型性能测试；

S2：气动与噪声性能优化设计；

S3：仿生前缘风电叶片设计。

本发明所提供的仿生前缘风电叶片的优化设计方法，还具有这样的特征，所述S1包括如下步骤：