CN103984831B - 大型风力发电机叶片表面仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法 - Google Patents

大型风力发电机叶片表面仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大型风力发电机叶片高逼真、非均一型仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法，更特别地说，是指根据风机叶片不同径向区域线速度的不同进行高逼真、非均一型仿鲨鱼盾鳞沟槽微结构的差别化设计以实现高效仿生减阻降噪的方法。有益之处：（1）本发明在针对大型风力发电机叶片进行减阻降噪结构设计时充分考虑到了“以翼弦为特征长度的雷诺数在风轮径向方向是变化的”这一重要事实，较现有均一型设计更加科学、合理；（2）本发明提供的高逼真仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法较现有抽象、简化型低逼真度仿鲨鱼减阻降噪微结构设计更能保证其高效的实际使用效果。

Description

大型风力发电机叶片表面仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法
技术领域
本发明涉及一种大型风力发电机叶片表面仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法，更特别地说，是指根据风机叶片不同径向区域线速度的不同进行高逼真、非均一型仿鲨鱼盾鳞沟槽微结构的差别化设计以实现高效仿生减阻降噪的方法，属于工程仿生技术领域。
背景技术
以“鲨鱼皮效应”著称的鲨鱼是生物进化的成功典范，目前已知的“鲨鱼皮效应”耦合了减阻、降噪、脱附、防护等多种生物机能，而鲨鱼表皮盾鳞的微米级沟槽结构是促成“鲨鱼皮效应”的重要结构要素，近年来人们已将仿鲨鱼盾鳞沟槽微结构应用于飞机、舰船、潜艇等多种大型装备的设计，以解决某些工程实际问题。
风机单机的大型化是降低风电成本的重要途径之一。随着风机单机额定功率的增加，作为风电关键部件的风机叶片其直径也迅速增大，目前兆瓦级风机叶片的长度多在40m以上，其运行时的风阻及噪声问题显得尤为严重。风阻过大将降低风能利用率，噪声过大将引发环境污染、振动疲劳以及裂纹失效，因而大型风机叶片的减阻降噪设计成为风机发电效率及设备可靠性的重要保障和设计难点。减阻的同时也意味着降噪，具有减阻降噪功能的鲨鱼皮为大型风机叶片设计提供了生物范例。例如，申请号为10/802568的美国专利公开了一种采用简化型“U”形沟槽设计以模拟鲨鱼皮沟槽微结构的风机叶片，将上述仿鲨鱼表皮微结构均一化地粘贴或加工到风机叶片表面可以实现噪声及阻力的有效控制。
然而，现有的低逼真度、均一型仿鲨鱼表皮微结构对于大型转子型运动部件的减阻降噪仍存在较大的改进空间。原因在于：研究表明，一方面沟槽截面形状以及沟槽宽度是决定“鲨鱼皮效应”的重要结构要素，所设计的仿鲨鱼沟槽微结构其逼真度越高，则仿生减阻降噪的实际效果越显著；另一方面为了达到最佳减阻效率，不同的速度均对应一个最佳的沟槽宽度。而对于大型风机叶片而言，其正常运转时不同径向位置区域的线速度各不相同，甚至差别较大，若简单的采用低逼真度、均一型仿鲨鱼盾鳞沟槽微结构设计，显然无法在径向不同位置区域同时实现高效的减阻降噪效果，且对于整机可靠性及寿命的提高亦较为有限。专家指出，在针对大型风力发电机叶片进行减阻降噪结构设计时必须考虑“以翼弦为特征长度的雷诺数在风轮径向方向是变化的”这一重要事实。因此，若要在大型风机叶片上实现高效率、高可靠性的减阻降噪设计，进行差别化的高逼真、非均一型仿生微结构设计势在必行。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种大型风力发电机叶片表面仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法，以解决上述技术问题。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
大型风力发电机叶片表面仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法，包括如下步骤：
第一步：风力发电机叶片虚拟分区及参数提取
(A)兼顾减阻降噪必要性及后续加工经济性，将每个风机叶片迎风面和背风面由叶尖到回转中心方向上一定范围内的径向表面虚拟地分成若干分区，各分区间的虚拟分界线与风机叶片的回转轨迹保持一致；
(B)从后续加工经济性角度将迎风面与背风面上具有微小结构尺寸差别的对应分区视为完全相同，进而根据叶片翼型截面形状及设计尺寸，依次提取经(A)步骤划分的各分区径向中心位置处弧形中心翼弦的弦长值；
(C)根据风力发电机叶片的设计额定转速及叶片尺寸，提取各分区径向中心位置处的回转半径作为该分区中心翼弦的回转半径，进而依次计算各分区中心翼弦的线速度；
第二步：叶片各虚拟分区最佳沟槽宽度流体计算
(A)根据第一步计算出的各分区中心翼弦线速度，并以各分区中心翼弦弦长值作为几何特征长度，按照公式1计算各分区叶片的雷诺数Re，式中V为中心翼弦线速度，L为中心翼弦几何特征长度，ρ为空气介质密度，μ为空气介质动力粘度；
Re＝ρVL/μ (1)
(B)根据经(A)步骤计算出的各分区叶片雷诺数Re的数值范围，按照史里希丁公式2计算叶片湍流边界层的摩阻系数Cf；
(C)根据经(B)步骤计算出的各分区叶片湍流边界层的摩阻系数Cf，按照公式3计算各分区中心翼弦处仿鲨鱼沟槽微结构发挥最佳减阻效果时的最佳沟槽宽度s；
第三步：鲨鱼盾鳞沟槽微结构生物原型提取
(A)选择典型快游速鲨鱼并裁切出一定面积的新鲜鲨鱼皮，借由适当的预处理工艺，制得鲨鱼皮生物模板，进而作为风力发电机叶片上高逼真仿鲨鱼沟槽微结构的生物原型；
(B)对经(A)步骤制得的鲨鱼皮生物模板进行高精度三维表面轮廓扫描，得到其高精度表面形貌图像，提取鲨鱼盾鳞沟槽微结构的横截面轮廓曲线，进而提取沟槽宽度、鳞脊高度、鳞片倾角以及有关沟槽截面轮廓的具体数据；
第四步：高逼真仿鲨鱼沟槽微结构非均一化分区设计
(A)以第二步计算出的各分区中心翼弦处仿鲨鱼沟槽微结构发挥最佳减阻效果时的最佳沟槽宽度s作为各分区整个区域上仿鲨鱼沟槽微结构的设计沟槽宽度，将各分区的设计沟槽宽度与第三步获取的生物原型沟槽数据进行数值比对，以此为依据对各分区仿鲨鱼沟槽横截面轮廓进行比例缩放基础上的高精度、差别化二维设计；
(B)以第三步获取的高精度鲨鱼皮表面形貌作为风力发电机叶片上高逼真仿鲨鱼沟槽微形貌的设计依据，将经(A)步骤设计出的各分区仿鲨鱼沟槽横截面轮廓进行三维化处理，形成若干非均一型独立、有倾角、呈菱形交错排列的仿鲨鱼鳞片结构，最终以各虚拟分区为单位在大型风力发电机叶片上完成高逼真、非均一型仿鲨鱼沟槽微结构的设计。
所述大型风力发电机为标准翼型三叶水平轴风力机，其叶片长度为30m～80m。
所述风力发电机叶片虚拟分区涵盖的范围为沿叶尖到回转中心方向上40％～80％的区域。
所述风力发电机叶片虚拟分区的最小数量为4个～6个。
所述高逼真仿鲨鱼沟槽微结构与生物原型相比，其逼真度为85％～95％。
所述高逼真仿鲨鱼沟槽微结构的沟槽方向应与风力发电机叶片的回转方向保持一致。
本发明的有益之处：(1)在针对大型风力发电机叶片进行减阻降噪结构设计时必须考虑到“以翼弦为特征长度的雷诺数在风轮径向方向是变化的”这一重要事实，本发明提供的非均一型仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法正是以该事实为设计依据，因而较现有均一型设计更加科学、合理；(2)在结构形貌上最大程度的尊重和接近生物原型是高效化模拟生物机能的重要保障，本发明提供的高逼真仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法较现有抽象、简化型低逼真度仿鲨鱼减阻降噪微结构设计更能保证其高效的实际使用效果。
附图说明
图1为本发明的大型风力发电机叶片表面仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法流程图。
图2为本发明实施例提供的具有高逼真、非均一型仿鲨鱼沟槽微结构的大型风力发电机示意图。
图3为图2中大型风力发电机叶片上A区域的放大视图。
图4为在单个大型风力发电机叶片上进行虚拟区域划分的示意图。
图5为对图3中B区域仿鲨鱼沟槽微结构进行局部剖切取样后的三维放大视图。
图6为本发明实施例中提取到的短尾真鲨盾鳞沟槽横截面轮廓曲线。
图中：1、风力发电机叶片 2、仿鲨鱼沟槽微结构 3、分区I 4、分区II 5、分区III6、分区IV 7、仿鲨鱼沟槽横截面。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施例进一步阐述本发明。
参照图1～图3，拟按照图1所示流程在某大型标准翼型三叶水平轴风力机叶片上进行高逼真、非均一型仿鲨鱼沟槽微结构的设计。该型号风力发电机叶片的相关尺寸及工作参数为：单个风力发电机叶片1的长度为60m，轮盘直径5m，设计额定转速16rpm。
第一步：风力发电机叶片虚拟分区及参数提取。
参照图2、图4，首先确定仅在叶片沿叶尖到回转中心方向75％的径向区域(涵盖迎风面及背风面)进行仿鲨鱼沟槽微结构2的设计，并虚拟地划设出分区I 3、分区II 4、分区III 5、分区IV 6等4个分区，各分区间的虚拟分界线(图中以虚线表示)与风机叶片的回转轨迹保持一致。由于靠近回转中心附近的部位其线速度较低，从后续制造成本及效益回报等角度考量，不值得对余下25％的区域进行减阻降噪设计。
其次，根据叶片翼型截面形状及设计尺寸，依次提取各分区(分区I3～分区IV6，下同)径向中心位置处弧形中心翼弦的弦长值L分别为3.1m、4.8m、5.7m、7.3m。
最后，根据风力发电机叶片的设计额定转速16rpm及叶片尺寸，并兼顾轮盘尺寸，提取各分区径向中心位置处的回转半径作为该分区中心翼弦的回转半径，其数值依次为56.9m、45.6m、34.4m、23.3m，进而依次计算出各分区中心翼弦的线速度V依次为95.3m/s、76.4m/s、57.6m/s、39.0m/s。
第二步：叶片各虚拟分区最佳沟槽宽度流体计算。
首先，根据第一步计算出的各分区中心翼弦线速度(95.3m/s、76.4m/s、57.6m/s、39.0m/s)，并以各分区中心翼弦弦长值作为几何特征长度(3.1m、4.8m、5.7m、7.3m)，按照公式1计算各分区叶片的雷诺数Re依次为19.8×106、24.5×106、22.0×106、19.1×106，式中空气介质动力粘度μ和密度ρ在常温(15℃～20℃)、常压下分别取值为1.8×10-5kg/m·s和1.205kg/m3。
进而，根据上述各分区叶片雷诺数Re(19.8×106、24.5×106、22.0×106、19.1×106)，按照史里希丁公式2计算叶片湍流边界层的摩阻系数Cf依次为0.0025118、0.0024614、0.0024873、0.0025200。
最后，根据上述各分区叶片湍流边界层的摩阻系数Cf(0.0025118、0.0024614、0.0024873、0.0025200)，按照公式3计算各分区中心翼弦处仿鲨鱼沟槽微结构发挥最佳减阻效果时的最佳沟槽宽度s依次为70.8μm、89.2μm、117.7μm、172.6μm。
第三步：鲨鱼盾鳞沟槽微结构生物原型提取。
首先，选择成体的典型快游速鲨鱼品种短尾真鲨(Carcharhinus brachyurous)并裁切出一定面积的新鲜鲨鱼皮，借由清洗、化学固定、乙醇脱水、烘干等预处理工艺，制得短尾真鲨鱼皮生物模板，进而作为风力发电机叶片上高逼真仿鲨鱼沟槽微结构的生物原型。
进而，对上述制得的短尾真鲨鱼皮生物模板进行高精度三维表面轮廓扫描，得到其高精度表面形貌图像，提取短尾真鲨盾鳞沟槽微结构的横截面轮廓曲线(参照图6)，进而提取沟槽宽度48.0μm、中央鳞脊高度10.0μm、两侧副鳞脊高度8.0μm、鳞片倾角5°以及其他有关沟槽截面轮廓的具体数据。
第四步：高逼真仿鲨鱼沟槽微结构非均一化分区设计。
首先，以第二步计算出的各分区中心翼弦处仿鲨鱼沟槽微结构发挥最佳减阻效果时的最佳沟槽宽度s(70.8μm、89.2μm、117.7μm、172.6μm)依次作为各分区整个区域上仿鲨鱼沟槽微结构的设计沟槽宽度，将各分区的设计沟槽宽度与第三步获取的生物原型沟槽数据进行数值比对，以此为依据对各分区仿鲨鱼沟槽横截面7的轮廓进行比例缩放基础上的高精度、差别化二维设计。例如，各分区上仿鲨鱼沟槽微结构2的主要结构数值如下：
分区I3：沟槽宽度70.8μm、中央鳞脊高度14.8μm、两侧副鳞脊高度11.8μm、鳞片倾角7°。
分区II4：沟槽宽度89.2μm、中央鳞脊高度18.6μm、两侧副鳞脊高度14.9μm、鳞片倾角9°。
分区III5：沟槽宽度117.7μm、中央鳞脊高度24.5μm、两侧副鳞脊高度19.6μm、鳞片倾角12°。
分区IV6：沟槽宽度172.6μm、中央鳞脊高度36.0μm、两侧副鳞脊高度28.8μm、鳞片倾角18°。
进而，以第三步获取的高精度鲨鱼皮表面形貌作为风力发电机叶片上高逼真仿鲨鱼沟槽微形貌的设计依据，将上述设计出的各分区仿鲨鱼沟槽横截面轮廓进行三维化处理，形成若干非均一型独立、有倾角、呈菱形交错排列的仿鲨鱼鳞片结构(参照图3、图5)，且其沟槽方向与风力发电机叶片的回转方向保持一致。由于已将迎风面与背风面上具有微小结构尺寸差别的对应分区视为完全相同，因此迎风面与背风面上对应分区内均应具有完全相同的仿鲨鱼沟槽微结构，由此便以各虚拟分区为单位在大型风力发电机叶片上完成高逼真、非均一型仿鲨鱼沟槽微结构的设计。
参照图3、图5、图6，经上述流程所设计出的高逼真仿鲨鱼沟槽微结构与生物原型相比，其逼真度约为90％。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.大型风力发电机叶片表面仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：风力发电机叶片虚拟分区及参数提取
(A)兼顾减阻降噪必要性及后续加工经济性，将每个风机叶片迎风面和背风面由叶尖到回转中心方向上一定范围内的径向表面虚拟地分成若干分区，各分区间的虚拟分界线与风机叶片的回转轨迹保持一致；
(B)从后续加工经济性角度将迎风面与背风面上具有微小结构尺寸差别的对应分区视为完全相同，进而根据叶片翼型截面形状及设计尺寸，依次提取经(A)步骤划分的各分区径向中心位置处弧形中心翼弦的弦长值；
(C)根据风力发电机叶片的设计额定转速及叶片尺寸，提取各分区径向中心位置处的回转半径作为该分区中心翼弦的回转半径，进而依次计算各分区中心翼弦的线速度；
第二步：叶片各虚拟分区最佳沟槽宽度流体计算
(A)根据第一步计算出的各分区中心翼弦线速度，并以各分区中心翼弦弦长值作为几何特征长度，按照公式1计算各分区叶片的雷诺数Re，式中V为中心翼弦线速度，L为中心翼弦几何特征长度，ρ为空气介质密度，μ为空气介质动力粘度；
Re＝ρVL/μ (1)
(B)根据经(A)步骤计算出的各分区叶片雷诺数Re的数值范围，按照史里希丁公式2计算叶片湍流边界层的摩阻系数Cf；
(C)根据经(B)步骤计算出的各分区叶片湍流边界层的摩阻系数Cf，按照公式3计算各分区中心翼弦处仿鲨鱼沟槽微结构发挥最佳减阻效果时的最佳沟槽宽度s；
第三步：鲨鱼盾鳞沟槽微结构生物原型提取
(A)选择典型快游速鲨鱼并裁切出一定面积的新鲜鲨鱼皮，借由适当的预处理工艺，制得鲨鱼皮生物模板，进而作为风力发电机叶片上高逼真仿鲨鱼沟槽微结构的生物原型；
(B)对经(A)步骤制得的鲨鱼皮生物模板进行高精度三维表面轮廓扫描，得到其高精度表面形貌图像，提取鲨鱼盾鳞沟槽微结构的横截面轮廓曲线，进而提取沟槽宽度、鳞脊高度、鳞片倾角以及有关沟槽截面轮廓的具体数据；
第四步：高逼真仿鲨鱼沟槽微结构非均一化分区设计
(A)以第二步计算出的各分区中心翼弦处仿鲨鱼沟槽微结构发挥最佳减阻效果时的最佳沟槽宽度s作为各分区整个区域上仿鲨鱼沟槽微结构的设计沟槽宽度，将各分区的设计沟槽宽度与第三步获取的生物原型沟槽数据进行数值比对，以此为依据对各分区仿鲨鱼沟槽横截面轮廓进行比例缩放基础上的高精度、差别化二维设计；
(B)以第三步获取的高精度鲨鱼皮表面形貌作为风力发电机叶片上高逼真仿鲨鱼沟槽微形貌的设计依据，将经(A)步骤设计出的各分区仿鲨鱼沟槽横截面轮廓进行三维化处理，形成若干非均一型独立、有倾角、呈菱形交错排列的仿鲨鱼鳞片结构，最终以各虚拟分区为单位在大型风力发电机叶片上完成高逼真、非均一型仿鲨鱼沟槽微结构的设计。
2.根据权利要求1所述的大型风力发电机叶片表面仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法，其特征在于：所述大型风力发电机为标准翼型三叶水平轴风力机，其叶片长度为30m～80m。
3.根据权利要求1所述的大型风力发电机叶片表面仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法，其特征在于：所述风力发电机叶片虚拟分区涵盖的范围为沿叶尖到回转中心方向上40％～80％的区域。
4.根据权利要求1所述的大型风力发电机叶片表面仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法，其特征在于：所述风力发电机叶片虚拟分区的数量为4个～6个。
5.根据权利要求1所述的大型风力发电机叶片表面仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法，其特征在于：所述高逼真仿鲨鱼沟槽微结构与生物原型相比，其逼真度为85％～95％。
6.根据权利要求1所述的大型风力发电机叶片表面仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法，其特征在于：所述高逼真仿鲨鱼沟槽微结构的沟槽方向应与风力发电机叶片的回转方向保持一致。
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