CN117823328A - 风力机及其高性能降噪叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高性能降噪叶片，包括叶片本体和襟翼，所述叶片本体具有相对的叶根和叶尖，所述襟翼角度可调地连接于所述叶片本体，且所述襟翼上的锯齿指向所述叶片本体的尾缘；其中，所述叶片本体的展向长度为L，沿所述叶根指向所述叶尖的方向，所述襟翼设置于所述叶片本体的0.68L～0.92L位置处，且所述襟翼配设为至少2段，每段襟翼之间的间距为0.005L～0.02L；所述襟翼的当前位置的叶片翼型弦向方向的长度W，所述襟翼在弦向的长度D为0.09W～0.11W。通过上述技术方案，襟翼的锯齿可破碎叶片尾缘涡达到叶片降噪功能，同时改变襟翼角度达到降低叶片挥舞弯矩，进而实现叶片降载，降低整机成本，不仅提高了风力机在运行时的安全系数，还提高了风力机的经济效益。

Description

风力机及其高性能降噪叶片
技术领域
本发明涉及风力发电设备技术领域，具体地，涉及一种风力机及其高性能降噪叶片。
背景技术
风力机叶片是整个风力发电机组的核心部件，其制造成本占风力发电机组总成本的20％～30％，叶片的受力情况和风力机输出功率的稳定性均影响着风力机的使用寿命，其气动性能在很大程度上决定了风力发电机组的使用效果和经济性能。
随着风力机兆瓦级变大，风力机的叶片也不断地增大，例如叶片越来越长，这样导致叶片的载荷变高，对叶片、整机安全及成本都造成很大影响。同时，由于部分风力机离居民区较近，存在着严重的噪声污染问题，影响了居民的生活质量。
针对当前大型风力机存在的载荷大以及产生的噪音大的问题，还需要提供一种更为合理的技术方案，以解决当前存在的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种风力机及其高性能降噪叶片，以解决现有技术中大型风力机存在的载荷大以及产生的噪音大的问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种高性能降噪叶片，包括叶片本体和襟翼，所述叶片本体具有相对的叶根和叶尖，所述襟翼角度可调地连接于所述叶片本体，且所述襟翼上的锯齿指向所述叶片本体的尾缘；
其中，所述叶片本体的展向长度为L，沿所述叶根指向所述叶尖的方向，所述襟翼设置于所述叶片本体的0.68L～0.92L位置处，且所述襟翼配设为至少2段，每段襟翼之间的间距为0.005L～0.02L；所述襟翼的当前位置的叶片翼型弦向方向的长度W，所述襟翼在弦向的长度D为0.09W～0.11W。
在一种可能的设计中，所述襟翼由具有韧度和强度的复合材料制成。
在一种可能的设计中，复合材料为碳纤维复合材料。
在一种可能的设计中，所述襟翼通过调节结构连接于所述叶片本体；所述调节结构包括连杆和线性伸缩器，所述叶片本体上设有容纳腔，所述连杆的一端可转动地连接于所述容纳腔，另一端可转动地连接于所述襟翼；所述线性伸缩器设置于所述容纳腔中，其伸缩杆可转动地连接于所述襟翼。
在一种可能的设计中，所述容纳腔的上部形成有与所述襟翼相适配的沉头台阶，所述襟翼贴合于所述沉头台阶时，所述襟翼的外表面与所述叶片本体的外表面平齐。
在一种可能的设计中，所述襟翼的锯齿宽度为A，高度为B，其中，锯齿宽高比为1：1～3，B占襟翼弦向长度D的45％～55％。
在一种可能的设计中，所述襟翼在弦向方向呈弧形，以贴合于所述叶片本体。
在一种可能的设计中，所述襟翼配设为3段，并间隔地设置于所述叶片本体。
一种风力机，设有如上述所述的高性能降噪叶片。
该高性能降噪叶片应用于风力机后，基于襟翼锯齿的设置，可以打碎尾缘涡，降低气动噪声，减少环境噪声污染。当风速较小时，改变襟翼的角度，可以增大迎风面积，提高升阻比，增大载荷；当风速变大时，改变襟翼的角度，可以减少迎风面积，降低升阻比，减小载荷，改变整体载荷变化幅度，降低叶根挥舞弯矩，实现降载，提高安全系数。
通过上述技术方案，襟翼的锯齿可破碎叶片尾缘涡达到叶片降噪功能，同时改变襟翼角度达到降低叶片挥舞弯矩，进而实现叶片降载，降低整机成本，不仅提高了风力机在运行时的安全系数，还提高了风力机的经济效益。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是高性能降噪叶片在一种视角下的结构示意图，R为叶片尾缘，P、Q为襟翼与叶片连接处；
图2是高性能降噪叶片在另一种视角下的结构示意图；
图3是高性能降噪叶片的部分结构示意图；
图4是高性能降噪叶片中襟翼的结构示意图；
图5是高性能降噪叶片中襟翼的主视结构示意图，其中，标注了襟翼的基础尺寸；
图6是普通风力机旋转时叶片表面压力分布图；
图7是普通风力机旋转时叶片表面压力分布图，其中，图7相对于所述图6为相反视角，为后视图，黑线圈出来的位置表示叶根挥舞弯矩的变化部分；
图8是具有高性能降噪叶片的风力机旋转时叶片表面压力分布图；
图9是具有高性能降噪叶片的风力机旋转时叶片表面压力分布图，其中，图9相对于所述图8为相反视角，为后视图，黑线圈出来的位置表示叶根挥舞弯矩的变化部分；
图10是具有高性能降噪叶片的风力机的叶根挥舞弯矩的噪声频谱分析图，其中，虚线表示未设襟翼的噪音频谱，实线表示设有襟翼的噪音频谱；
图11是普通风力机在叶轮后方10m处基频0.19Hz所对应的声压分布，其中，声压分布的试验对象为未设置襟翼的叶片；
图12是具有高性能降噪叶片的风力机在叶轮后方10m处基频0.19Hz所对应的声压分布，其中，声压分布的试验对象为设置有襟翼的叶片。
附图标记说明
1-叶片本体，11-叶根，12-叶尖，2-襟翼。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
本发明的第一方面是提供一种高性能降噪叶片，用于风力机。其中，图1至图12示出了其中一种具体实施例。
参阅图1至图12所示，该高性能降噪叶片包括叶片本体1和襟翼2，叶片本体1具有相对的叶根11和叶尖12，襟翼2角度可调地连接于叶片本体1，且襟翼2上的锯齿指向叶片本体1的尾缘。
其中，叶片本体1的展向长度为L，沿叶根11指向叶尖12的方向，襟翼2设置于叶片本体1的0.68L～0.92L位置处，且襟翼2配设为至少2段，每段襟翼2之间的间距为0.005L～0.02L；襟翼2的当前位置的叶片翼型弦向方向的长度W，襟翼2在弦向的长度D为0.09W～0.11W。
该高性能降噪叶片应用于风力机后，基于襟翼2的设置，可以打碎尾缘涡，降低气动噪声，减少环境噪声污染。当风速较小时，改变襟翼2的角度(如图1所示向上【压力面】摆动襟翼2)，可以增大迎风面积，提高升阻比，增大载荷；当风速变大时，改变襟翼2的角度(如图1所示向下【吸力面】摆动襟翼2)，可以减少迎风面积，降低升阻比，减小载荷，改变整体载荷变化幅度，降低叶根11挥舞弯矩，实现降载，提高安全系数。
通过上述技术方案，襟翼2的锯齿可破碎叶片尾缘涡达到叶片降噪功能，同时改变襟翼2角度达到降低叶片挥舞弯矩，进而实现叶片降载，降低整机成本，不仅提高了风力机在运行时的安全系数，还提高了风力机的经济效益。
在一种可能的设计中，襟翼2设置于叶片本体1的0.68L～0.80L位置处，并配设了2段襟翼2，每段襟翼之间的间距为0.005L；襟翼2在弦向的长度D为0.11W。
在另一种可能的设计中，襟翼2设置于叶片本体1的0.68L～0.92L位置处，且襟翼2配设为3段，每段襟翼2之间的间距为0.01L；襟翼2在弦向的长度D为0.10W。
在再一种可能的设计中，襟翼2设置于叶片本体1的0.80L～0.92L位置处，且襟翼2配设为2段，每段襟翼2之间的间距为0.02L；襟翼2在弦向的长度D为0.11W。
在本公开提供的一种具体实施例中，襟翼2由具有韧度和强度的复合材料制成。这样设置，可以使襟翼2在迎风时，其结构能够发生小幅度的变形，以减小载荷，避免载荷过大而撕裂或折弯。
具体地，复合材料为碳纤维复合材料。
在本公开中，襟翼2通过调节结构连接于叶片本体1；调节结构包括连杆和线性伸缩器，叶片本体1上设有容纳腔，连杆的一端可转动地连接于容纳腔，另一端可转动地连接于襟翼2；线性伸缩器设置于容纳腔中，其伸缩杆可转动地连接于襟翼2。这样设置，当线性伸缩器伸缩时，能够对应地调节襟翼2的展角，从而使得襟翼2适应于不同的风力情况，对应地起到降载、降噪的作用。
其中，连杆可以对襟翼2的位置起到一定的推动作用，能够在线性伸缩器伸展时帮助襟翼2展开以及在线性伸缩器回缩时拉动襟翼2顺利调位/复位，同时，还可以起到支撑和限位作用，能够帮助襟翼2更稳定地承受载荷。
具体地，线性驱动器配设为气缸。而在其他实施例中，线性驱动器可以配设为直线模组或液压缸。对此，本领域技术人员可以根据市售的线性驱动器进行灵活选配。当然，本领域技术人员也可以是在现有技术中的线性驱动器的基础上进行常规性改进得到。
在本公开中，容纳腔的上部形成有与襟翼2相适配的沉头台阶，襟翼2贴合于沉头台阶时，襟翼2的外表面与叶片本体1的外表面平齐。这样设置，可以在襟翼2不展开的情况下，使襟翼2隐藏为形似于叶片本体1的一体结构，
在本公开提供的一种实施例中，襟翼2的锯齿宽度为A，高度为B，其中，锯齿宽高比为1：1～3，B占襟翼2弦向长度D的45％～55％。这样设置，能够使襟翼2较好发挥其降噪/降载效果，进而帮助叶片有效适应不同等级的风力，保证了风力发电机组的使用效果和经济性能。
参阅图5所示，D为襟翼在弦向的长度，A为锯齿的宽度，B为锯齿的高度。例如，在一种可能的设计中，锯齿的宽高比A：B＝1：1，B占襟翼2翼弦向长度D的45％。在另一种可能的设计中，锯齿的宽高比A：B＝1：2，B占襟翼2翼弦向长度D的50％。在再一种可能的设计中，锯齿的宽高比A：B＝1：3，B占襟翼2翼弦向长度D的55％。当然，也可以是锯齿的宽高比A：B＝1：1，B占襟翼2翼弦向长度D的55％；此外，还可以是锯齿的宽高比A：B＝1：3，B占襟翼2翼弦向长度D的45％。对此，本领域技术人员可以根据实际工业需求灵活配设，本公开对此仅做示例性展示。
在本公开提供的一种实施例中，襟翼2在弦向方向呈弧形，有益于使其贴合于叶片本体1，从而通过这种流线型的设计来减小风阻，降低噪音。
在一种实施例中，襟翼2配设为3段，并间隔地设置于叶片本体1，由此可以在不同位置起到降载降噪的作用，因为叶片展向不同位置，叶片线速度变化较大，不同长度处配置不同的锯齿方案得到更佳的降噪降载效果，具有较好的实用性。
根据本公开的第二方面，提供了一种风力机。
该风力机设有第一方面的高性能降噪叶片。
为了进一步展示该高性能降噪叶片应用于风力机上时的有益效果，下文将结合具体实施案例与试验数据进行说明。
带有襟翼2的三维风力机叶片研究：采用3MW风力发电机组71米长叶片，沿展向48-64m处布置襟翼2，占22％展向，向压力面偏转15度，搭建三维叶片模型，划分网格，研究襟翼2对整个叶片影响，验证降载效果。
风力机叶片参数
旋转方向： 顺时针
风轮轴线角： 5°
锥角： 3.5°
转速： 11.3rpm
叶尖速度： 86.3m/s
风速： 10.0m/s(空气密度1.225kg/m3)
下表为叶根弯矩变化对照表
其中，图6和图7表示普通风力机(未设襟翼2)旋转时叶片表面压力分布图，图6为前视的叶片表面压力分布图，图7为后视的叶片表面压力分布图，图8和图9表示具有高性能降噪叶片的风力机旋转时叶片表面压力分布图，图8为前视的叶片表面压力分布图，图9为后视的叶片表面压力分布图。图6和图8为对照图、图7和图9为对照图。根据图6至图9中风力机的叶片表面压力分布情况，计算得到对应的叶根挥舞弯矩。再将叶根挥舞弯矩进行分析比对，得出：普通风力机的挥舞弯矩为7698.18/kN·m，该具有高性能降噪叶片的风力机的挥舞弯矩为5895.94/kN·m。相较于普通的未设襟翼2的风力机，弯矩明显地从7698.18/kN·m减少至5895.94/kN·m，减幅为23.41％。
图10是具有高性能降噪叶片的风力机的噪声频谱分析图，其中，虚线表示未设襟翼2的噪音频谱，实线表示设有襟翼2的噪音频谱。通过对未设襟翼2的风力机噪音分析和设有襟翼2的风力机噪音分析，图像清楚的显示出，未设襟翼2的叶片噪音频谱整体高于设有襟翼2的叶片，表明襟翼2的设置能够改善叶片旋转产生的噪音。
图11是普通风力机在叶轮后方10m处基频0.19Hz所对应的声压分布，其中，声压分布的试验对象为未设置襟翼2的叶片。图12是具有高性能降噪叶片的风力机在叶轮后方10m处基频0.19Hz所对应的声压分布，其中，声压分布的试验对象为设置有襟翼2的叶片。加装锯齿尾缘后，叶轮旋转引起的声压明显下降。
根据《GB/T 22516-2015/IEC 61400-11:2012风力发电机组噪声测量方法》，水平轴风力发电机组的监测点位置为其中H为从地面到风轮中心的垂直距离，D为风轮直径。因此，监测点坐标为(0，173，-100)，即监测点位于风力发电机组后方173m处的地面上。根据公式(1)和(2)，可计算得到总声压级和视在声功率。式(1)和(2)中，Lp和Lw分别代表声压级和声功率级，R为叶轮中心到监测点的直线距离，S0为基准面积，S0＝1m2。
结果表明，在未设襟翼2的工况下，基准叶片在监测点处所引起的气动视在声功率为109.19dB；安装有锯齿尾缘的叶片在监测点处所引起的气动视在声功率为106.54dB。计算结果表明，锯齿尾缘可以使得所设监测点处的气动噪声水平降低2.43％。由此印证，在叶片尾缘布置合适尺寸的锯齿来降低叶轮旋转所引起的气动噪声。
需要说明的是，在图6至图12所采用的试验中，襟翼2的配置参数为如下所示：
在距离叶根11、23～36m处，所采用锯齿的高度和宽度分别为翼型af30c3.5弦长的5％、5％；距离叶根11、36～50.946m处，所采用锯齿的高度和宽度分别为翼型af25c2弦长的15％和5％；距离叶根11、50.946～56m处，所采用锯齿的高度和宽度分别为翼型af21c1.5弦长的15％、5％。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高性能降噪叶片，其特征在于，包括叶片本体和襟翼，所述叶片本体具有相对的叶根和叶尖，所述襟翼角度可调地连接于所述叶片本体，且所述襟翼上的锯齿指向所述叶片本体的尾缘；
其中，所述叶片本体的展向长度为L，沿所述叶根指向所述叶尖的方向，所述襟翼设置于所述叶片本体的0.68L～0.92L位置处，且所述襟翼配设为至少2段，每段襟翼之间的间距为0.005L～0.02L；所述襟翼的当前位置的叶片翼型弦向方向的长度W，所述襟翼在弦向的长度D为0.09W～0.11W。
2.根据权利要求1所述的高性能降噪叶片，其特征在于，所述襟翼由具有韧度和强度的复合材料制成。
3.根据权利要求2所述的高性能降噪叶片，其特征在于，该复合材料为碳纤维复合材料。
4.根据权利要求2所述的高性能降噪叶片，其特征在于，所述襟翼通过调节结构连接于所述叶片本体；所述调节结构包括连杆和线性伸缩器，所述叶片本体上设有容纳腔，所述连杆的一端可转动地连接于所述容纳腔，另一端可转动地连接于所述襟翼；所述线性伸缩器设置于所述容纳腔中，其伸缩杆可转动地连接于所述襟翼。
5.根据权利要求4所述的高性能降噪叶片，其特征在于，所述容纳腔的上部形成有与所述襟翼相适配的沉头台阶，所述襟翼贴合于所述沉头台阶时，所述襟翼的外表面与所述叶片本体的外表面平齐。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的高性能降噪叶片，其特征在于，所述襟翼的锯齿宽度为A，高度为B，其中，锯齿宽高比为1：1～3，B占襟翼弦向长度D的45％～55％。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的高性能降噪叶片，其特征在于，所述襟翼在弦向方向呈弧形，以贴合于所述叶片本体。
8.根据权利要求1～5中任一项所述的高性能降噪叶片，其特征在于，所述襟翼配设为3段，并间隔地设置于所述叶片本体。
9.一种风力机，其特征在于，设有如权利要求1～8中任一项所述的高性能降噪叶片。
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