CN102003332A - 风力机叶片翼型族 - Google Patents
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Abstract
一种风力机叶片翼型族，包含第一至第七不同相对厚度的翼型，所述的相对厚度是各翼型上下两个面之间的最大厚度与弦线长度的比值；每个翼型均由前缘、尾缘、吸力面、压力面组成；尾缘具有从前缘至尾缘弦长1％～3％的厚度，压力面为七个不同的S形后加载；该叶片翼型族的上下两个面之间的相对厚度为30％-60％；该叶片翼型族的最大厚度的位置在距前缘点31.8％～32.8％弦长处。第一至第七个翼型的轮廓，是分别由第一至第七个翼型压力面和吸力面上各点的横坐标和纵坐标除以该翼型的弦长，得到该翼型的无量纲二维坐标，由该无量纲二维坐标平滑连接形成。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力机叶片，特别涉及一种风力机叶片的翼型族几何构造。
背景技术
风能作为一种清洁的可再生能源，越来越备受世界各国重视。风力发电就是通过叶片将风能转化为机械能，再将机械能转化成电能的过程。风电叶片的性能如何直接影响了风能转换的效率，叶片一般由多个翼型沿展向积叠而成，因而翼型的气体动力学性能和结构性能直接决定着叶片的性能，是叶片设计的关键。另外，传统的航空翼型已经不能满足风力机的要求，风力机翼型应不同于传统的航空翼型，两者对设计点、非设计点的性能以及结构要求都是不同的。设计风力机专用翼型族对我国风力发电行业的发展非常重要
随着风电行业的迅猛发展，风电机组不断大型化，风力机叶片变得越来越长，叶片质量增加导致载荷增加，因此需要提高叶片根部翼型的厚度来提高叶片的结构刚度。而目前国外开发出的翼型族中厚翼型及大相对厚度翼型很少。
虽然厚翼型满足了结构需求，但其气动特性非常差。特别在表面粗糙条件下，最大升力系数、升力曲线斜率下降较大，使得风力机输出功率减少。对于厚翼型应用钝尾缘可提高其气动性能。增加翼型尾缘厚度，可减少吸力面负压梯度，延迟湍流分离，提高最大升力系数，降低前缘粗糙敏感性，同时还可提高翼型的结构性能，但也会增加翼型的阻力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风力机叶片翼型族，以满足大型风电叶片对厚翼型的需求。改善厚翼型最大升力系数对前缘粗糙度较敏感、失速特性不佳、最大升阻比较低、做功能力不高等缺点。
为实现上述目的，本发明提供的风力机叶片翼型族，包含第一至第七不同相对厚度的翼型，所述的相对厚度是各翼型上下两个面之间的最大厚度与弦线长度的比值；
每个翼型均由前缘、尾缘、吸力面、压力面组成；
尾缘具有从前缘至尾缘弦长1％～3％的厚度，压力面为七个不同的S形后加载；
该叶片翼型族的上下两个面之间的相对厚度为30％-60％；
该叶片翼型族的最大厚度的位置在距前缘点31.8％～32.8％弦长处；
其中，第一至第七个翼型的轮廓，是分别由第一至第七个翼型压力面和吸力面上各点的横坐标和纵坐标除以该翼型的弦长，得到该翼型的无量纲二维坐标，由该无量纲二维坐标平滑连接形成。
本发明的几何结构特点满足了大型风电叶片对厚翼型的需求，有效地提高了厚翼型的气动特性，在满足结构特性的同时提高了翼型最大升力系数，最大升阻比，降低翼型对前缘粗糙度敏感性、提高做功能力。同目前存在的厚翼型相比，在相同的条件下，不仅能有效提高风能利用系数，而且可以明显改善叶片的结构性能，降低叶片面积，继而降低叶片使用材料和制造成本。
附图说明
图1为应用本发明翼型族构造的一个风力机叶片的透视图。
图2为本发明的风力机专用翼型族的复合图。
图3为本发明的风力机专用翼型族的第一翼型的轮廓图。
图4为本发明的风力机专用翼型族的第二翼型的轮廓图。
图5为本发明的风力机专用翼型族的第三翼型的轮廓图。
图6为本发明的风力机专用翼型族的第四翼型的轮廓图。
图7为本发明的风力机专用翼型族的第五翼型的轮廓图。
图8为本发明的风力机专用翼型族的第六翼型的轮廓图。
图9为本发明的风力机专用翼型族的第七翼型的轮廓图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的具体实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
现在参照图1，图1显示了使用本发明翼型族100的风力机叶片200。本发明的翼型族优选的可以用于水平轴风力机叶片。叶片200包括紧邻轮毂(未显示)的内侧区210、中部区220和外侧区230。一般地，内侧区210约占叶片200展长的40％，中部区约占叶片200展长的30％，外侧区230约占叶片200展长的30％。
图2显示了本发明风力机翼型族100。翼型族100包括有前缘300、吸力面320、尾缘310、压力面330以及弦线340。弦线340从翼型族100的每个前缘300延伸到尾缘310。图2中所示第一翼型110、第二翼型120、第三翼型130、第四翼型140、第五翼型150、第六翼型160、第七翼型170的前缘角度、吸力面厚度、尾缘厚度、压力面弧度、翼型厚度等均不相同，分别适合使用在图1所示的叶片200的中部区220和内侧区210。
各翼型之间都具有良好的几何兼容性，各翼型断面的叶片横断面按照本领域中公知的方法，可以由连接任何两个相邻翼型形状之间的相应部分的过渡面连接，翼型横断面按照公知的方法可以变换角度，以便对叶片输入有效的阻力，从而形成由空气动力性能要求所确定的变化的叶片迎角。
翼型厚度是指翼型上下表面之间的距离，最大厚度与弦长的比值称为翼型的相对厚度。本发明中翼型族100的相对厚度的范围为30％-60％，最大厚度的位置在距前缘点31.8％～32.8％弦长处，雷诺数在3×106的工况下，其最大升力系数在1.1-1.84之间，适用于叶片长度30米以上、功率1MW以上的、失速型或变桨型的风力机。本发明的翼型族在Re＝3×106的工况下，失速特性良好，气流攻角大于临界攻角(最大升力系数对应的攻角)后，随着攻角的增大，翼型的升力系数变化平缓。
从翼型族100的外部几何特征上可以看出，与其他同等厚度的翼型相比，本翼型族前缘300比较尖，即前缘半径小，不同厚度的翼型前缘半径有不同的取值范围；翼型110、120翼型吸力面320的厚度比较小，从而保证升力系数接近或达到最大时，吸力面320上从层流流动到湍流流动的转捩点的位置非常靠近或达到前缘点300，这样就使得翼型族的最大升力系数都具有前缘粗糙度的不敏感性。
在本发明中，优选的翼型族100的尾缘310都有一定的厚度，厚度范围为1％～3％弦长，与尾缘厚度为零翼型相比，这一几何特征可以适当减小吸力面上的负压梯度，使流动保持附着，从而可以适当提高翼型的升力系数，降低前缘粗糙不敏感性；优选的，在翼型110、120压力面330靠近尾缘可以增大S形轮廓的后加载，提高升力系数。优选的翼型130、140、150、160、170，为了保证其厚度要求及其结构特性，这些翼型的上表面厚度较大，同时也具有一定程度的S型后加载形式。
图3-图6显示了本发明翼型族100所包含的七个翼型的实施例，各实施例中翼型的外形轮廓。
表1-表7中分别列出本发明翼型族100的第一翼型110、第二翼型120、第三翼型130、第四翼型140、第五翼型150、第六翼型160以及第七翼型170吸力面和压力面的无量纲二维坐标数据点。每个翼型的弦线从前缘延伸至尾缘，弦线的长度为弦长，每个翼型吸力面上各点的横坐标和纵坐标除以该翼型的弦长得到该翼型吸力面的无量纲几何坐标。每个翼型压力面上各点的横坐标和纵坐标除以该翼型的弦长得到该翼型压力面的无量纲几何坐标。根据表中所列数据点由样条曲线光滑连接即可分别形成上述翼型的吸力面和压力面轮廓。第一、第二、第三翼型可以作为风力机叶片中部翼型；第四、第五、第六、第七翼型可以作为风力机叶片内侧翼型。
表中x/c值表示吸力面或者压力面上的某点在弦线方向上相对于前缘点的位置，y/c值表示吸力面或者压力面上某点到翼型弦线的距离。表中描述翼型的无量纲二维坐标数据可以放大和缩小而保持翼型的形状不变，坐标的缩放方案为表1-表7中的X、Y坐标值乘以或除以不为零的常数，得到满足设计要求的不同弦长大小的翼型。
下面具体说明每个翼型：
图3显示了本发明翼型族100的第一翼型110，优选的该翼型的相对厚度为30％，用于叶片200的中部区220。翼型在雷诺数在3×106的工况下进行工作，并且同风力机专用翼型族100中其他翼型有着良好的几何兼容性。
第一翼型110具有第一翼型前缘111，第一翼型弦线112，第一翼型吸力面113，第一翼型尾缘114，第一翼型压力面115。第一翼型弦线112从第一翼型前缘111延伸至第一翼型尾缘114。优选的，第一翼型110的吸力面113和压力面115的几何轮廓，由表1中吸力面和压力面栏中列出的无量纲二维坐标数据点光滑连接所形成。
表1列出了翼型110的无量纲二维坐标数据点，其中x/c值表示吸力面113或压力面115上某点在弦线112方向上相对于前缘111的位置，y/c值则表示吸力面113或压力面115上某点到弦线112的距离。这些值是对相同的常数或数量的函数可缩放的，以提供比例放大或缩小而形状保持不变的翼型。
表1
图4显示了风力机专用翼型族100的第二翼型120，其前缘为121，弦线为122，吸力面为123，尾缘为124，压力面为125。该翼型的厚度为35％，适用于叶片200的中部区220。该翼型针对雷诺数在3×106的工况进行设计，同风力机专用翼型族100中其他翼型有着良好的几何兼容性。第二翼型120的具体坐标在表2中以无量纲坐标形式给出。
表2
图5显示了风力机专用翼型族100的第三翼型130，其前缘为131，弦线为132，吸力面为133，尾缘为134，压力面为135。该翼型的厚度为40％，适用于叶片200的中部区220。该翼型针对雷诺数在3×106的工况进行设计，同风力机专用翼型族100中其他翼型有着良好的几何兼容性。第三翼型130的具体坐标在表3中以无量纲坐标形式给出。
表3
图6显示了风力机专用翼型族100的第三翼型140，其前缘为141，弦线为142，吸力面为143，尾缘为144，压力面为145。该翼型的厚度为45％，适用于叶片200的内侧区210。该翼型针对雷诺数在3×106的工况进行设计，同风力机专用翼型族100中其他翼型有着良好的几何兼容性。第四翼型140的具体坐标在表4中以无量纲坐标形式给出。
表4
图7显示了风力机专用翼型族100的第三翼型150，其前缘为151，弦线为152，吸力面为153，尾缘为154，压力面为155。该翼型的厚度为50％，适用于叶片200的内侧区210。该翼型针对雷诺数在3×106的工况进行设计，同风力机专用翼型族100中其他翼型有着良好的几何兼容性。第五翼型150的具体坐标在表5中以无量纲坐标形式给出。
表5
图8显示了风力机专用翼型族100的第三翼型160，其前缘为161，弦线为162，吸力面为163，尾缘为164，压力面为165。该翼型的厚度为55％，适用于叶片200的内侧区210。该翼型针对雷诺数在3×106的工况进行设计，同风力机专用翼型族100中其他翼型有着良好的几何兼容性。第六翼型160的具体坐标在表6中以无量纲坐标形式给出。
表6
图9显示了风力机专用翼型族100的第三翼型170，其前缘为171，弦线为172，吸力面为173，尾缘为174，压力面为175。该翼型的厚度为60％，适用于叶片200的内侧区210。该翼型针对雷诺数在3×106的工况进行设计，同风力机专用翼型族100中其他翼型有着良好的几何兼容性。第七翼型170的具体坐标在表7中以无量纲坐标形式给出。
表7
Claims (2)
1.一种风力机叶片翼型族，包含第一至第七不同相对厚度的翼型，所述的相对厚度是各翼型上下两个面之间的最大厚度与弦线长度的比值；
每个翼型均由前缘、尾缘、吸力面、压力面组成；
尾缘具有从前缘至尾缘弦长1％～3％的厚度，压力面为七个不同的S形后加载；
该叶片翼型族的上下两个面之间的相对厚度为30％-60％；
该叶片翼型族的最大厚度的位置在距前缘点31.8％～32.8％弦长处。
2.如权利要求1所述的风力机叶片翼型族，其中，第一至第七个翼型的轮廓，是分别由第一至第七个翼型压力面和吸力面上各点的横坐标和纵坐标除以该翼型的弦长，得到该翼型的无量纲二维坐标，由该无量纲二维坐标平滑连接形成。
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