CN104018998A - 一种用于兆瓦级风力机叶片的21%厚度主翼型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于兆瓦级风力机叶片的21％厚度主翼型,其采用计算流体力学方法和先进的翼型参数化方法，设计出相对厚度为0.21弦长，最大厚度对应的弦向位置为0.325弦长，后缘厚度0.05弦长，设计升力系数为1.2，设计迎角为6度的翼型。本发明翼型具有较高的升力系数，可缩短叶片的弦长，从而减少叶片重量。在高雷诺数和高升力设计条件下，比其它同类翼型具有更高的升阻比，以提高风能的利用系数。在雷诺数低于1.5×10⁶的非设计情况，保持与传统翼型相当的升阻比。翼型的最大升力系数对粗糙度不敏感。本发明翼型特别适用于兆瓦级变速，或变矩调节型大型风力机。

Description

一种用于兆瓦级风力机叶片的21%厚度主翼型

技术领域

本发明涉及一种风力机叶片翼型，具体地说,涉及一种用于兆瓦级风力机叶片的21％厚度主翼型。属于风力机技术领域。 

背景技术

风力机叶片是风力发电机组设计的核心技术之一，构成叶片的翼型是叶片设计的基础，该项技术的研究和应用可导致设计出具有更大风能捕获能力和低系统载荷的高性能叶片，对于大直径风力机设计具有重要的意义。而大直径风力机是建造兆瓦级大功率风力发电机组的主要技术。 

上世纪90年代，风力机叶片设计通常使用已有的传统的航空翼型，如NACA44系列和NACA63或64系列翼型，但由于其较小的相对厚度、较低的高升力气动性能和不平缓的失速特性等，已不能适应大型风力机叶片的设计要求。自从80年代后期以来，西欧和美国进行了专门用于风力机的先进翼型设计研究。如瑞典航空研究院设计的FFA系列翼型、荷兰Deft大学设计的DU系列翼型、丹麦国家实验室设计的系列翼型、以及美国可再生能源国家实验室(NREL)设计的S系列风力机翼型。这些翼型中有的缺乏高雷诺数下的实验验证，有的在较大粗糙度时气动性能下降很多。 

近年来,西北工业大学、重庆大学、中国科学院工程热物理研究所等单位相继设计出了各自具有自主知识产权的风力机专用翼型。其中，西北工业大学针对兆瓦级大型风力机，采用计算流体力学方法设计出NPU-WA风力机翼型族，并在NF-3低速翼型风洞中进行了从1.0×10⁶到5.0×10⁶的五个不同雷诺数的风洞实验，证实了该翼型族的高雷诺数特性、对粗糙度不敏感特性，以及高升力下的升阻比均优于国外的同类翼型。通过对上述风洞实验数据的分析可知，初次设计的NPU-WA系列翼型中,在高雷诺数和高升力设计条件下具有很好的升阻比特性，明显优于同类翼型；在固定转捩情况下升阻比不低于同类翼型,具有更大的升力系数。但该翼型存在的不足是:在低雷诺数条件下，最大升力对粗糙度的敏感性因子较高，比DU系列翼型高出一倍,力矩系数绝对值偏大。 

径向站位在70％到100％的叶片外侧部分捕捉到的风能通常占整个叶片捕捉风能的60％以上，因此站位在75％的风力机叶片主翼型需要有较高的气动性能。同时，由于风力机叶片可能会受到灰尘、雨水、昆虫或结冰等不可避免的污染，主翼型还需要有对表面粗糙度的不敏感特性。 

发明内容

为了避免现有技术存在的不足,本发明提出一种用于兆瓦级风力机叶片的21％厚度主翼型,采用计算流体力学方法和先进的翼型参数化方法，设计出相对厚度为0.21、满足大型风力机叶片外侧翼型需求，具有高雷诺数、高升力系数、高升阻比翼型。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:翼型相对厚度为0.21弦长，最大厚度对应的弦向位置为0.325弦长，后缘厚度为0.05弦长； 

翼型上下表面几何坐标的表达式分别为: 

$\frac{y_{\mathrm{up}}}{C}=0.0025\left(\frac{x}{C}\right)+{\left(\frac{x}{C}\right)}^{0.5}(1-\frac{x}{C})\·\underset{i=0}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}(A_{{\mathrm{up}}_i}\·\frac{4!}{i!(4-i)!}{\left(\frac{x}{C}\right)}^i{(1-\frac{x}{C})}^{4-i})$

$\frac{y_{\mathrm{low}}}{C}=-0.0025\left(\frac{x}{C}\right)+{\left(\frac{x}{C}\right)}^{0.5}(1-\frac{x}{C})\·\underset{i=0}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}(A_{{\mathrm{low}}_i}\·\frac{4!}{i!(4-i)!}{\left(\frac{x}{C}\right)}^i{(1-\frac{x}{C})}^{4-i})$

式中，下标“up”和“low”分别表示翼型的上表面和下表面，C为翼型弦长， 

上表为系数和的值。 

有益效果 

本发明提出的一种用于兆瓦级风力机叶片的21％厚度主翼型,采用计算流体力学方法和先进的翼型参数化方法，设计出相对厚度为0.21弦长，最大厚度对应的弦向位置为0.325弦长，后缘厚度为0.05弦长，设计升力系数为1.2，设计迎角为6度的翼型。本发明NPU-WA-211翼型具有较高的设计升力，更大的升阻比，更好的高雷诺数特性。由于作用在叶片剖面上的升力等于升力系数、弦 长和来流动压的乘积，因此更高的设计升力系数可允许缩短叶片的弦长，从而减少叶片重量，或在相同弦长的情况下允许在更低的风速下工作；更大的升阻比可提高风能利用系数，高雷诺数下更高的性能完全满足大型风力机叶片的设计需求。在雷诺数低于1.5×10⁶的非设计情况，保持与传统翼型相当的升阻比。翼型的最大升力系数对粗糙度不敏感，优于NPU-WA-210翼型对粗糙度不敏感性的水平。 

本发明翼型特别适用于兆瓦级变速或变矩调节型大型风力机。 

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种用于兆瓦级风力机叶片的21％厚度主翼型作进一步详细说明。 

图1为NPU-WA-211翼型的几何外形。 

图2为NPU-WA-211与NPU-WA-210、DU93-W-210翼型的升力特性。 

图3为NPU-WA-211与NPU-WA-210、DU93-W-210翼型的升阻比特性。 

图4为NPU-WA-211翼型升力特性的实验与计算的比较。 

图5为NPU-WA-211翼型阻力特性的实验与计算的比较。 

图6为NPU-WA-211翼型力矩特性的实验与计算的比较。 

图7为NPU-WA-211翼型升力特性的实验与计算的比较。 

图8为NPU-WA-211翼型阻力特性的实验与计算的比较。 

图9为NPU-WA-211翼型力矩特性的实验与计算的比较。 

图10为NPU-WA-211、NPU-WA-210和DU93-W-210翼型最大升力系数对粗糙度敏感性随雷诺数的变化。 

图中: 

1.NPU-WA-211翼型的气动特性风洞实验结果 

2.NPU-WA-210翼型的气动特性风洞实验结果 

3.DU93-W-210翼型的气动特性风洞实验结果 

4.NPU-WA-211翼型的气动特性风洞实验结果(自由转捩) 

5.NPU-WA-211翼型的气动特性计算结果(自由转捩) 

6.NPU-WA-211翼型的气动特性风洞实验结果(固定转捩) 

7.NPU-WA-211翼型的气动特性计算结果(固定转捩) 

8.NPU-WA-211翼型最大升力系数对粗糙度敏感性随雷诺数的变化 

9.NPU-WA-210翼型最大升力系数对粗糙度敏感性随雷诺数的变化 

10.DU93-W-210翼型最大升力系数对粗糙度敏感性随雷诺数的变化 

具体实施方式

本实施例是一种用于兆瓦级风力机叶片的21％厚度主翼型。 

参阅图1，本实施例是针对大型风力机叶片设计提出的NPU-WA-211风力机翼型，其主要设计指标如下: 

设计升力系数为1.2；设计迎角为6度； 

设计雷诺数为6.0×10⁶，在高雷诺数和高升力设计条件下，要求NPU-WA-211翼型比其它同类翼型有更高的升阻比，保持与NPU-WA-210翼型相当的升阻比。在雷诺数低于1.5×10⁶的非设计情况，保持与传统翼型相当的升阻比。 

要求NPU-WA-211翼型比传统翼型有更高的最大升力系数。 

翼型的力矩系数接近于同类NACA翼型。 

在全紊流情况下，要求翼型比国外同类高升力风力机翼型有更高的升阻比，此外要求翼型的最大升力系数对粗糙度不敏感，不敏感性优于NPU-WA-210翼型。 

翼型相对厚度为0.21弦长，考虑加工的需要，翼型最大厚度大于并接近于30％弦长位置，并具有一定后缘厚度，弦长为100的翼型后缘厚度为0.5弦长； 

翼型上下表面几何坐标的表达式分别为: 

$\frac{y_{\mathrm{up}}}{C}=0.0025\left(\frac{x}{C}\right)+{\left(\frac{x}{C}\right)}^{0.5}(1-\frac{x}{C})\·\underset{i=0}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}(A_{{\mathrm{up}}_i}\·\frac{4!}{i!(4-i)!}{\left(\frac{x}{C}\right)}^i{(1-\frac{x}{C})}^{4-i})$

$\frac{y_{\mathrm{low}}}{C}=-0.0025\left(\frac{x}{C}\right)+{\left(\frac{x}{C}\right)}^{0.5}(1-\frac{x}{C})\·\underset{i=0}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}(A_{{\mathrm{low}}_i}\·\frac{4!}{i!(4-i)!}{\left(\frac{x}{C}\right)}^i{(1-\frac{x}{C})}^{4-i})$

式中，下标“up”和“low”分别表示翼型的上表面和下表面,C为翼型弦长, 

下表为系数和的值。 

图2为NPU-WA-211与NPU-WA-210、DU93-W-210翼型的升力特性。与国外同类高升力风力机翼型DU93-W-210相比，在雷诺数300万时，相同攻角下NPU-WA-211翼型具有更高的升力系数。 

图3表明，与国外同类高升力风力机翼型DU93-W-210相比，在雷诺数300万，设计升力系数1.2时，NPU-WA-210翼型的升阻比提高了30。 

如图4～图9所示，NPU-WA-211翼型比同类NACA翼型具有更高的最大升力系数，而力矩系数接近于同类NACA翼型，达到了设计指标和设计目的。 

图10表明，在大多数雷诺数下，NPU-WA-211翼型的最大升力系数对粗糙度不敏感性高于DU93-W-210翼型，优于NPU-WA-210翼型。 

风洞实验表明，NPU-WA-211翼型与现有风力机翼型相比，具有如下特点，保持了NPU-WA-210翼型在高雷诺数、高升力和高升阻比等方面的优势，弥补了NPU-WA-210翼型在对粗糙度不敏感特性方面的不足。 

本实施例的翼型比传统翼型有更高的升力系数。在高雷诺数和高升力设计条件下，比其它同类翼型有更高的升阻比，与NPU-WA-210翼型有相当的升阻比。在雷诺数低于1.5×10⁶的非设计情况，保持与传统翼型相当的升阻比。翼型的最大升力系数对粗糙度不敏感，优于NPU-WA-210翼型对粗糙度不敏感性的水平。 

本实施例的NPU-WA-211翼型具有较高的设计升力，更大的升阻比，更好的高雷诺数特性。由于作用在叶片剖面上的升力等于升力系数、弦长和来流动压的乘积，因此更高的设计升力系数可允许缩短叶片的弦长，从而减少叶片重量，或者在相同弦长的情况下允许在更低的风速下工作；更大的升阻比可提高风能利用系数，高雷诺数下更高的性能可以满足大型风力机叶片的设计需求。 

Claims (1)

1.一种用于兆瓦级风力机叶片的21％厚度主翼型,其特征在于: 翼型相对厚度为0.21弦长，最大厚度对应的弦向位置为0.325弦长，后缘厚度为0.05弦长；

翼型上下表面几何坐标的表达式分别为:

$\frac{y_{\mathrm{up}}}{C}=0.0025\left(\frac{x}{C}\right)+{\left(\frac{x}{C}\right)}^{0.5}(1-\frac{x}{C})\·\underset{i=0}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}(A_{{\mathrm{up}}_i}\·\frac{4!}{i!(4-i)!}{\left(\frac{x}{C}\right)}^i{(1-\frac{x}{C})}^{4-i})$

$\frac{y_{\mathrm{low}}}{C}=-0.0025\left(\frac{x}{C}\right)+{\left(\frac{x}{C}\right)}^{0.5}(1-\frac{x}{C})\·\underset{i=0}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}(A_{{\mathrm{low}}_i}\·\frac{4!}{i!(4-i)!}{\left(\frac{x}{C}\right)}^i{(1-\frac{x}{C})}^{4-i})$

式中，下标“up”和“low”分别表示翼型的上表面和下表面，C为翼型弦长，

上表为系数和的值。