一种仿生优化翼型与V形条纹结构耦合设计的风力机叶片

本发明涉及水平轴风力发电机组领域，具体为一种仿生优化翼型与v形条纹结构耦合设计的风力机叶片。

背景技术：

1、风能资源丰富，具有发电利用效率高和二氧化碳零排放的特点，是最具发展前景的清洁能源之一，在当下实现全球能源转型和气候目标的过程中发挥着重要作用。风力机所产生的气动弹性问题是作用在叶片上的气动力和叶片的机械变形相互耦合作用产生的，主要表现为叶片在运行中的挥舞、摆振和扭转变形。随着近年来风力发电的相关技术快速发展，风力机大型化的发展趋势愈发明显，叶片逐渐呈现出尺寸大、质量轻、柔性强的特点，同时这也将叶片展弦比增大，结构刚度减小的劣势凸显出来。叶片的振动已成为引起叶片破坏的重要原因之一。叶片作为风力机的关键部件，叶片产生的气动弹性问题对风力机的安全运行具有重要的影响，风力机叶片在运行中的气动弹性问题急需解决。

2、生物经过亿万年进化，具有了适应环境的多种优异的功能特征。从生物进化的功能特性中受到启发，从自然界寻找降低叶片振动量的方法已成为一种新的研究思路。研究表明，根据长期迎风生活的鸟类和树木等具有的柔性特征和良好的抗风载结构对风力机叶片进行设计，能够有效提高风力机叶片抵抗复杂风况的能力，有效降低叶片气动弹性问题的产生。风力机叶片的外形与鸟类羽翼具有一定的相似性，且工作环境相同，目前研究已经证明仿鸮翼叶片有着优异的气动性能，可以有效提高风力机的发电效率。以具有静音飞行能力的鸮为仿生对象，解决叶片气动弹性问题是新的研究思路。

3、叶片腹板上的条纹结构可以提高风力机叶片的抗振性能，有效抑制叶片的气动弹性问题。叶片腹板上的条纹结构改变了风力机叶片在运行中的内部受力情况，增加了腹板的抗弯曲能力，也增加了近叶根处条纹间的内力，叶片的柔性也随之增加。

技术实现思路

1、针对风力机大型化的发展趋势致使叶片的气动弹性问题日益显著这一现象，本发明提供一种仿生优化翼型与v形条纹结构耦合设计的风力机叶片，所述叶片基于鸮翼50%截面的优化翼型和鸮羽片的v形条纹结构进行耦合设计，有效的降低了叶片的振动位移量。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种通过仿生优化翼型和v形条纹结构的耦合设计降低风力机气动弹性问题的方法，包括如下步骤：

3、所述叶片首先利用鸮翼展向50%截面的优化翼型进行了叶片的重构，然后在重构叶片的基础上设计了腹板表面的v形条纹结构，最终得到一种仿生优化翼型与v形条纹结构耦合设计的风力机叶片。

4、进一步地，所述叶片叶展的0.7071~1为仿生优化翼型。仿生优化翼型是在鸮翼50%截面翼型的基础上，以naca64翼型的相对厚度为指标进行了优化。仿生优化翼型比naca64翼型的弯度大，造成了叶片上下表面气流流速差变大，增大了上下表面的压力差，表现的气动性能更好。

5、进一步地，v形条纹结构是根据鸮翼羽片重叠形成的沟槽结构和羽片上的微观结构耦合设计得到的，其位置布置于叶片腹板两侧的表面上。在叶片发生振动时，v形条纹结构受拉或受压，产生了阻碍叶片发生变形的内力，同时以热量的形式消耗着振动的能量，使叶片产生的位移越来越小，避免叶片发生颤振等现象。

6、本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明设计的一种仿生优化翼型与v形条纹结构耦合设计的风力机叶片，即可以提高风力机叶片的风能利用效率，又抑制了叶片产生的气动弹性问题，避免产生大的振动位移量。仿生优化翼型与v形条纹结构的耦合设计增大了叶片吸力面和压力面的压力差，降低了叶片的最大振动位移量，压力差的增大是叶片效率增加的主要原因，最大振动位移量的降低是叶片抗风载荷能力增加的主要原因。

技术特征：

1.一种仿生优化翼型与v形条纹结构耦合设计的风力机叶片，其特征主要包括叶片叶展部分（1）、v形条纹结构（2）、叶根（3）和轮毂（4）。

2.根据权利要求1所述的一种仿生优化翼型与v形条纹结构耦合设计的风力机叶片，其特征在于，所述叶片叶展部分（1）是由仿生优化翼型和v形条纹结构耦合设计而成的，所述仿生优化翼型是鸮翼展向50%截面的优化翼型，该翼型是先通过逆向重构及拟合光顺处理得到鸮翼展向50%截面翼型，后优化了翼型的相对厚度，最终获得了仿生优化翼型。

3.根据权利要求1所述的一种仿生优化翼型与v形条纹结构耦合设计的风力机叶片，其特征在于，所述v形条纹结构（2）是根据鸮翼羽片重叠形成的沟槽结构和羽片上的条纹结构耦合设计，设计参数主要包括条纹宽度、条纹深径比和条纹间距。

4.所述风力机直径为2.52m，是直径126m的nrel 5mw风力机经相似原理1:50缩放的模型风力机，根据正交试验极差分析及方差分析筛选出最优的设计参数组合为条纹宽度为2mm，条纹深径比为3，条纹间距为2mm。

5.v形条纹结构设计在叶片的腹板上，构建方式为内嵌式。

技术总结本发明涉及风力机叶片工程仿生领域，具体公开了一种仿生优化翼型与V形条纹结构耦合设计的风力机叶片，包括叶片叶展部分、V形条纹结构、叶根和轮毂。本发明提供的一种仿生耦合叶片是基于仿生优化翼型和V形条纹结构耦合设计，仿生优化翼型是基于鸮翼展向50%截面翼型得到，V形条纹结构是根据鸮翼表面结构得到。本发明提供的一种仿生耦合叶片，其延叶展方向0.1865～0.642部分采用DU翼型，0.7071～1部分是仿生优化翼型，V形条纹结构设计在叶片腹板。本发明提供的一种仿生耦合叶片，与5MW风力机相比，风力机的功率系数和发电量均得到提高，叶片的振动变形量降低，其减振性能增强。为风力机叶片设计提供新的思路，对风力发电行业的发展具有重要意义。技术研发人员：陈坤,赵培尧,贵红亮,冯文慧,付勇受保护的技术使用者：新疆大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5