一种复合翼型风力机叶片的制作方法

本发明属于风力机风电技术领域，具体涉及一种复合翼型风力机叶片。

背景技术：

风能已经成为主要的可再生能源，为提高风力机的风能捕获量，可增加原本风力机的尺寸，增大风力机叶片的旋转半径。而通过将风力机的叶片半径不断增长来解决风能捕获量的问题的同时也带来其他的问题：1.风力机叶片的疲劳载荷：常导致负载过度，运行可靠性下降，具有一定的危险性；2.叶根处常常发生失速现象，导致风力机的升力下降，阻力增加，流动分离加剧等；3.大型化的风力机在运行中，产生巨大的噪音污染，往往会给人类生活来很多危害。因此需通过相关技术手段研究解决大型风力机的过度负载、流动分离和噪音等问题。

在解决上述问题的过程中流动控制技术逐渐发展起来，主要分为两类：一类是用“形”决定“流”，即通过改变翼型的外形来改变流场的运动；一类是在翼型上附加外部能量，用以改变翼型流场中的能量分布。往往用有无外在能量附加来区分流动控制方法为主动控制/被动控制。

鉴于此，专利号为201120047460.1，名称为“一种通过驻涡控制失速的风力机叶片”的专利，通过气流在叶片上表面的凹坑形成的固定的旋涡，使叶片上表面的分离能够得到控制，并在其上表面形成涡升力来达到提升翼型失速攻角的目的。申请号为201520369024.4，名称为“一种可防失速的垂直轴风力机”的专利，通过利用风机旋转产生的自身离心力，拉动杠杆扩大拉力使内外摩擦片接触减速，从而防止叶片的失速、在强风或者不安全风速下保护风机的工作。通过叶片表面上凹坑形成固定旋涡和利用风机自身离心力拉动杠杆使内外摩擦片接触减速在改善叶片的失速特性方面有一定的效果，但结构复杂、成本高，同时没有考虑噪声效果。且复杂的控制系统和结构也会降低风力机叶片运行的可靠性。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种复合翼型风力机叶片。

本发明提供了一种复合翼型风力机叶片，具有这样的特征，包括：翼型叶片主体，用于构成风力机叶片主体；以及微小翼型叶片，加装在翼型叶片主体上，微小翼型叶片置于翼型叶片主体的前缘点附近，且加装在翼型叶片主体的吸力面上，其中，微小翼型叶片的结构参数通过多岛遗传算法进行优化得到，结构参数包括微小翼型叶片的弦长l、微小翼型叶片与翼型叶片主体之间的间隔高度h、微小翼型叶片的前缘点与翼型叶片主体的前缘点之间的相对距离p以及微小翼型叶片与翼型叶片主体的弦线所在平面之间的角度β，弦长l＝0.0031c，间隔高度h＝0.135c，相对距离p＝0.012c，角度β＝18°。

在本发明提供的复合翼型风力机叶片中，还可以具有这样的特征：其中，翼型叶片主体和微小翼型叶片的材料均为玻璃钢。

在本发明提供的复合翼型风力机叶片中，还可以具有这样的特征：其中，进行结构参数优化时，弦长l的约束范围为0.003c≤l≤0.007c，间隔高度h的约束范围为0.05c≤h≤0.015c，相对距离p的约束范围为-0.01c≤p≤0.015c，角度β的约束范围为-10°≤β≤20°。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的复合翼型风力机叶片，因为通过多岛遗传算法对微小翼型叶片的结构参数进行了优化，所以，能够通过设置的微小翼型叶片的结构来统筹兼顾风力机叶片整体的气动性能和噪声效果；因为只在翼型叶片主体上设置了一个微小翼型叶片就实现对流场的控制，结构简单，安装流程简易，具有较好的实用性。因此，本发明的复合翼型风力机叶片结构简单，安装便捷，能够有效的控制流场，并起到良好的降噪作用。

附图说明

图1是本发明的实施例中的复合翼型风力机叶片的结构示意图；

图2是本发明的实施例中的攻角为10°时原始翼型的流线图；

图3是本发明的实施例中的攻角为10°时复合翼型的流线图；

图4是本发明的实施例中的攻角为20°时原始翼型的流线图；

图5是本发明的实施例中的攻角为20°时复合翼型的流线图；

图6是本发明的实施例中的攻角为10°时原始翼型与复合翼型的声压级分布图；

图7是本发明的实施例中的攻角为20°时原始翼型与复合翼型的声压级分布图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。

<实施例>

图1是本发明的实施例中的复合翼型风力机叶片的结构示意图。

如图1所示，本实施例的复合翼型风力机叶片100，具有翼型叶片主体1和微小翼型叶片2。

翼型叶片主体1，用于构成风力机叶片主体。

微小翼型叶片2，加装在翼型叶片主体1上，微小翼型叶片2置于翼型叶片主体1的前缘点附近，且加装在翼型叶片主体1的吸力面上。

本实施例中，翼型叶片主体1与微小翼型叶片2均为s809翼型。

翼型叶片主体1和微小翼型叶片2的材料均为玻璃钢，玻璃钢材料的强度高、重量轻且耐老化。

微小翼型叶片2的结构参数通过多岛遗传算法进行优化得到，结构参数包括微小翼型叶片2的弦长l、微小翼型叶片2与翼型叶片主体1之间的间隔高度h、微小翼型叶片2的前缘点与翼型叶片主体1的前缘点之间的相对距离p以及微小翼型叶片2与翼型叶片主体1的弦线所在平面之间的角度β。

本实施例中多岛遗传算法的参数设置如表1所示，

表1多岛遗传算法的参数设置

本实施例中，复合翼型为复合翼型风力机叶片100的结构造型。

将结构参数作为isotropic型输入参数，将复合翼型的升力系数与复合翼型的声压级之比最大作为目标函数，通过使用kriging插值模型来进行计算，并通过多岛遗传算法在结构参数的约束范围中进行寻优处理，得到在约束范围内，当复合翼型的升力系数与复合翼型的声压级之比最大时结构参数的值。

弦长l的约束范围为0.003c≤l≤0.007c，间隔高度h的约束范围为0.05c≤h≤0.015c，相对距离p的约束范围为-0.01c≤p≤0.015c，角度β的约束范围为-10°≤β≤20°。

通过多岛遗传算法得到优化后的结构参数：弦长l＝0.0031c，间隔高度h＝0.135c，相对距离p＝0.012c，角度β＝18°。

图2是本发明的实施例中的攻角为10°时原始翼型的流线图，图3是本发明的实施例中的攻角为10°时复合翼型的流线图，图4是本发明的实施例中的攻角为20°时原始翼型的流线图，图5是本发明的实施例中的攻角为20°时复合翼型的流线图。

本实施例中，原始翼型为只具有翼型叶片主体1时的结构造型，原始翼型与复合翼型的对比如下：

如图2至图5所示，在攻角为10°时，原始翼型和复合翼型在翼型的尾缘处均出现一定程度的分离涡结构，两者的涡结构大小差异不大，但对于翼型的压力面，复合翼型压力面的正压分布均匀并且大于原始翼型。

在攻角为20°时，原始翼型在其尾缘处出现了大范围的负压区，且其压力分布不均，在压力面的压力分布同样不均匀，导致流场流动混乱，在上表面的前缘、中部及尾缘处均出现了涡结构，且尾缘处的涡结构很大，而复合翼型在翼型的上表面虽然同样出现了涡结构，但其涡的大小比原始翼型小很多，同时翼型的压力面的压力分布也好于原始翼型，并且在前缘处并未出现前缘涡结构，其流动相对较稳定。

图6是本发明的实施例中的攻角为10°时原始翼型与复合翼型的声压级分布图；图7是本发明的实施例中的攻角为20°时原始翼型与复合翼型的声压级分布图。

如图6与图7所示，在攻角为10°时，原始翼型和复合翼型均呈现相应的低频特性，且复合翼型的在低频下的峰值明显大于原始翼型的峰值，而其低频特性也反应出其噪声源为离散单音特性即为翼型表面压力波动导致的噪声分布。

而在攻角为20°时，原始翼型和复合翼型并未出现低频特性，无明显的峰值，其声压级分布呈现明显的宽频特性，而宽频特性的出现是由于翼型表面噪声源为湍流脉动，在20°攻角下，原始翼型已经发生了流动分离，产生较多的分离涡，导致湍流脉动增强。

本实施例中，还在原始翼型与复合翼型上选择同一个位置作为监测点(监测点处的噪声声压级为翼型声压级)，并对原始翼型与复合翼型的气动性能和噪声特性参数进行比较，测量结果如表2所示，由表2可知，在攻角为10°时，复合翼型相比于原始翼型，其升力系数增长了10.6％，而同时其阻力系数增加40.6％，这导致复合翼型的升阻比下降13.9％，同时在监测点处所得的噪声声压级也增加12.863db，综合目标λ出现下降，这说明复合翼型综合表现比原始翼型要差一些，但相差并不是很大。

而在攻角为20°时，复合翼型相比于原始翼型，其升力系数增长75％，同时阻力系数增加92.1％，这导致复合翼型的升阻比下降43.5％，但在监测点处的噪声声压级下降11.022db,所求的综合目标λ出现上升，这说明在大攻角下，复合翼型的气动性能和噪声特性的综合表现远远好于原始翼型的表现，并且复合翼型与原始翼型相比，将失速攻角由16°延缓至22°。

表2气动性能和噪声特性参数比较

实施例的作用与效果

由实施例可知，在攻角为10°时，复合翼型气动性能表现好于原始翼型，有明显的增升表现，在攻角为20°的大攻角时，复合翼型与原始翼型相比，将失速攻角由16°延缓至22°，提高了稳定性，并且对于翼型的气动噪声而言，复合翼型的噪声声压级小于原始翼型，能够起到较好的降噪作用，对于风力机噪声污染有明显的缓解效果。

根据本实施例所涉及的复合翼型风力机叶片，因为通过多岛遗传算法对微小翼型叶片的结构参数进行了优化，所以，能够通过设置的微小翼型叶片的结构来统筹兼顾风力机叶片整体的气动性能和噪声效果；因为只在翼型叶片主体上设置了一个微小翼型叶片就实现对流场的控制，结构简单，安装流程简易，具有较好的实用性。因此，本实施例的复合翼型风力机叶片结构简单，安装便捷，能够有效的控制流场，并起到良好的降噪作用。

进一步的，因为翼型叶片主体和微小翼型叶片的材料均为玻璃钢，所以使得叶片整体实现高强度、轻重量且耐老化。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。