向鸟类学习：论S型叶尖小翼对风轮振频的影响

从古到今，人类的发展史就是一部向自然学习的历史，大自然的动物们给人类科技的发展带来了很多启示，今天，就让我们来聊聊小鸟教会了我们什么。

上世纪70 年代，美国国家航天局的Whitcomb鸟翅膀尖部的小翅得到启发，在飞机机翼的翼梢处安装了小翼片，从而减少了机翼的诱导阻力，节省了燃油。

图1 飞机翼尖小翼示意图

几乎与此同时，VanHolten提出了在风力机叶尖处添加小翼的概念。Van先生和另外几位大神一起开发了不同类型的小翼，并且通过试验证实，在风力机叶片叶尖增加小翼，可在一定范围内提高风轮的输出功率。

图2 西门子公司开发的加装叶尖小翼的风机

然而，由于小翼本身具有质量，加装小翼会对风轮的振频产生影响。国内学者以S型叶尖小翼为例，通过试验方法揭示了叶尖小翼对风轮静、动频率的影响。

图3 S型小翼结构及安装示意图

该测试试验在内蒙古工业大学新能源基地进行，激励信号通过人工操控力锤击打叶片产生，通过传感器采集信号并将信号输入测试系统，通过一定的数据处理方法得出结果。

图4 测试台架和数据采集设备

通过对测试结果进行分析，研究者们得到以下结论：

小翼使风轮质量增加导致风轮1、2阶静频下降；

S型叶尖小翼可有效改变风轮1、2阶动频曲线走势，从而可有效调节风轮进入和脱离共振区的转速，这对于风轮的最佳转速设计和避免共振设计具有重要意义；

S型叶尖小翼对圆盘效应振动频率和轴向窜动效应振动频率影响很小。

与此同时，研究者们还有一个意外发现：在很大区域的转速范围内，圆盘效应振动动频曲线总是伴随风轮转速的1 倍频，并处于1倍频共振带范围内，这可能为很多风力机叶片在远短于设计寿命期内频繁发生疲劳损伤事故提供新的解释。

参考文献

马剑龙,汪建文,董波,魏海娇，S型叶尖小翼对风轮振动频率影响的研究，振动与冲击[J]，2013，32（24）：110-116.