【摘 要】
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当前我国高风速区域风能发电逐渐饱和,低风速风电正逐步进入发展期。贵州地区属于低风速区域,受复杂地形的影响,风资源存在风速低、湍流、风向多变以及风切变等特点,传统高风速风力机叶片难以实现较高的风能利用率,因此,需研究一种适用于复杂地形低风速条件下的风力发电机叶片,其对低风速风电产业的发展具有重大意义。本文首先分析贵州省复杂地形低风速风资源特性,针对选址风电场的风能参数选取合理的叶片翼型,基于修正的叶
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当前我国高风速区域风能发电逐渐饱和,低风速风电正逐步进入发展期。贵州地区属于低风速区域,受复杂地形的影响,风资源存在风速低、湍流、风向多变以及风切变等特点,传统高风速风力机叶片难以实现较高的风能利用率,因此,需研究一种适用于复杂地形低风速条件下的风力发电机叶片,其对低风速风电产业的发展具有重大意义。本文首先分析贵州省复杂地形低风速风资源特性,针对选址风电场的风能参数选取合理的叶片翼型,基于修正的叶素动量理论（BEM）分析叶片的结构参数与气动性能,结合Wilson方法和模式搜索算法,以叶片最大风能利用率作为设计目标,设计出适合低风速风力发电的风机叶片;通过对比分析设计叶片与同兆瓦级实际风机叶片的结构参数与气动性能,结果表明:设计叶片在3-8m/s风速段的风机功率优于实际叶片,达到最大功率所需的风速更小（8.7m/s）,设计叶片在低风速风况中具有更好的气动性能。针对复杂地形低风速条件下叶片所受空气阻力增加导致风机叶片气动性能降低、发电效率损失问题,本文基于凸包非光滑表面减阻理论,定义凸包的结构参数,通过正交法设计16组不同结构的变异凸包,采用数值模拟方法分析不同风速和不同攻角条件下16组变异凸包非光滑叶片的减阻性能,优选出减阻性能最佳的变异凸包结构。结果表明,低风速条件下变异凸包非光滑叶片的最佳减阻率为6.53%,非光滑叶片达到相同升阻比（CL/CD）所需的升力与阻力均小于光滑叶片所需的升力与阻力,证明了变异凸包非光滑叶片在低风速条件下具有较好的减阻性能。分析其减阻机理可知,变异凸包非光滑表面结构通过凸包间的相干结构引发轴承效应,同时变异凸包表面规律性压力梯度变化,改善了叶片表面的流动状态,从而起到了减阻作用。叶片气动噪声是衡量叶片设计是否合理的标准之一,为分析低风速风况中叶片气动噪声的变化规律,本文以设计光滑叶片与变异凸包非光滑叶片作为研究对象,采用修正的BPM半经验模型预测计算风机叶片的气动噪声,分析叶片在不同风速、不同攻角条件下的气动噪声声压级和噪声源。分析结果表明:风机叶片的气动噪声声压级随着入流风速的增大而增大;随着叶片攻角的变化,风机叶片气动噪声源呈现规律性变化:叶片攻角较小时（0°～4°）,风机叶片气动噪声主要以湍流入流噪声以及叶片表面湍流边界层噪声为主导;当叶片攻角较大时（4°～8°）,叶片气动噪声主要为湍流入流噪声与分离流噪声;当风机叶片攻角大于10°时,叶片的气动噪声主要由分离流噪声组成;相对于光滑叶片,变异凸包非光滑叶片在低风速、小攻角工况下叶片表面湍流边界层噪声以及风分离流噪声更小,说明变异凸包结构起到了一定的降噪作用。
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