一种基于鸮类翅膀的风力机叶片翼型

本发明属于风力发电，具体涉及一种基于鸮类翅膀的风力机叶片翼型。

背景技术：

1、人类活动导致大气中温室气体浓度不断增加，导致全球气候恶化。为了应对日益恶化的全球气候，中国承诺到2030年或更早达到碳排放峰值，并将非化石能源占总排放量的比例提高到20%，扩大可再生能源产能，尤其是风力发电，是实现这些目标的核心战略。

2、风力机叶片设计技术是风力发电机组设计的一项核心技术,风力机叶片的性能决定了风力发电机的风能利用效率、载荷特性和噪声水平等。 而作为叶片剖面的翼型是构成叶片外形的关键要素，它也直接决定着风能转化的效率，因此研究较高气动性能的翼型有其必要性。

3、在自然界中，昆虫和鸟类的翅膀在飞行动力学研究中表现有较好的气动性能，众多学者对生物翅膀的特征进行了仿生学研究。吉林大学工程仿生教育部重点实验室课题组对鸟类翅膀的研究较为深入，其课题组对海鸥、鸮类、军舰鸟和家燕的翅膀进行了较为系统的研究，得到不同鸟类翅膀展向不同截面翼型的参数，并将翼型应用在小型水平轴风力机上，结果提高了风力机的效率。

4、目前研究鸟类翼型在风力机中的应用也仅限于小型水平轴风力机，是由于鸟类翅膀的翼型较薄、弯度较大，鸟类生物翼型设计的风力机叶片结构性能较差，不能直接应用在大型风力机叶片设计中，为了满足大型叶片的结构性能和功率特性，鉴于此，本发明设计了一种基于鸮类翅膀的风力机叶片翼型。

技术实现思路

1、本发明是为了解决上述问题进行的，目的在于设计一种新型风力机叶片翼型，既有较好气动性能，也满足叶片的结构性能，气动性能主要体现在二维翼型的升力系数、升阻比和三维叶片的扭矩；结构性能主要体现为翼型的相对厚度。

2、风力机叶片的翼型一般由弦长c、弯度f、前缘半径r和厚度t构成。该翼型的最大厚度t的取值范围为0.1626c～0.1798c，最大厚度所在位置与弦长c之比的取值范围为16.38%～41.34%，相对弯度f的取值范围为0.015c～0.028c，最大弯度所在位置与弦长c之比的取值范围为10.12%～11.13%，前缘半径r的取值范围为0.021c～0.027c。

3、本发明的翼型设计过程如下，将长耳鸮翅膀50%截面处翼型的上表面坐标和naca64-618翼型的下表面坐标进行组合得到新的翼型。

4、本发明的翼型前缘半径比标准翼型naca64-618增大了1.52倍，相对厚度的范围增加了4倍左右，并且最大相对厚度前移了43.36%，这就会造成在吸力面表面流速增加，降低了吸力面的压强，使得翼型上下表面压差增大，升力增大。

5、本发明具有以下优点，能够将该翼型应用在大型风力机叶片设计中，因为具有较大的相对厚度，不仅能够满足大型风力机叶片的结构性能，还提高了风力机的效率。翼型在雷诺数80000下，攻角在-2°～20°范围内，升力系数和升阻比有较好的表现，尤其在攻角为14°时，升力系数提高7.3%，在攻角为-2°时，升阻比提高55.6%。

6、为了进一步验证该翼型有较好的气动性能，可将所述翼型应用在标准叶片nrel5mw风力机叶片上。鉴于新翼型是由长耳鸮翅膀特征参数得来，下文将新翼型构成的叶片就以仿生叶片简称，具有该翼型的仿生叶片和标准叶片只有在叶片展向70.7%到叶尖位置不同，其他位置的翼型结构均一致。经过验证，该翼型叶片的风力机扭矩较标准叶片提高了6%～8%，风能利用系数提高0.6%～2.4%。

技术特征：

1.一种风力机叶片翼型，其特征在于，所述翼型的坐标数据是由长耳鸮翅膀展向截面的翼型坐标和naca64-618系列翼型的坐标组合设计得到。

2.根据权利要求1所述的风力机叶片翼型，所述翼型结构特征包括弦长、厚度、前缘半径和弯度，且当翼型弦长为ｃ为时，最大厚度t的取值范围为0.1626c～0.1798c，所述前缘半径r的取值范围为0.021c～0.027c，所述弯度f的取值范围为0.015c～0.028c，且最大厚度横坐标xt所在的位置与弦长的比为16.38%～41.34%，最大弯度横坐标xf所在的位置与弦长c的比为10.12%～11.13%。

3.根据权利要求1所述的风力机叶片翼型，其特征在于，所述翼型的上翼面a所对应的的坐标数据满足：

技术总结本发明提供了一种用于水平轴风力发电机叶片的新翼型，该翼型是由长耳鸮翅膀展向50％截面处翼型和NACA64‑618翼型的坐标组合设计而成。在雷诺数为80000时、攻角范围在‑2°～20°，新翼型比标准翼型NACA64‑618升力系数最大提高了7.3％、升阻比最大提高了55.5％；并且将新翼型应用于NREL 5MW风力机叶片，该翼型的风力机叶片与标准NREL 5MW风力机叶片对比，该叶片可提高转矩8％，提高风能利用率2.4％。其增升作用主要是因为该翼型构成的叶片使吸力面的流速增加，降低了表面压力，造成叶片上下表面压差增大，并且该叶片更能有效抑制叶片表面展向流动，叶片尾缘分离涡明显减小，使附着在叶片表面的流体更加稳定，从而提高了风力机的效率。技术研发人员：陈坤,贵红亮,冯文慧,赵培尧,郝振华受保护的技术使用者：新疆大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18