CN105840414B - 一族适用于5-10兆瓦风力机叶片的翼型 - Google Patents

一族适用于5-10兆瓦风力机叶片的翼型 Download PDF

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    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Abstract

本发明提供一族适用于5‑10兆瓦风力机叶片的翼型，共包括8个翼型，其相对厚度依次为18％C、21％C、25％C、30％C、35％C、40％C、50％C和60％C；最大厚度位置均为32％C；后缘厚度依次为0.46％C、0.68％C、0.90％C、3.8％C、6.1％C、8.7％C、12％C和15％C，C为弦长。优点为：翼型族在高雷诺数和高设计升力系数条件下具有高升阻比和低粗糙度敏感性，可以满足大型风力机叶片的设计需求。

Description

一族适用于5-10兆瓦风力机叶片的翼型
技术领域
本发明属于叶片翼型设计技术领域，具体涉及一族适用于5-10兆瓦风力机叶片的翼型。
背景技术
风力机叶片设计是风力发电机组设计的一项核心技术，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为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奠定基础。现代风电机组的单机功率不断增大，叶片长度随之不断增加，叶片主出力区剖面(翼型)的线速度增加，要求风力机专用翼型具有更高的运行雷诺数，其中主翼型及外侧翼型的运行雷诺数可达900万雷诺数以上。与此同时，叶片长度的增加会使得叶片重量增加，对叶片的疲劳载荷和极限载荷也提出了更高的要求，这就要求叶片内侧翼型具有优良气动特性的同时，还要具有更好的结构性能。此外，与陆地风电相比，海上风电一般都采用更大的多兆瓦级风力机(5MW-10MW)，风力机翼型的运行雷诺数进一步增高，同时，海上的复杂环境条件使得叶片更容易受到污染或腐蚀，为了保证风力机叶片在宽工况条件下均具有优良的气动特性，要求多兆瓦级风力机翼型在高雷诺数下具有高的升阻比，且具有最大升力系数和最大升阻比对前缘粗糙度的低敏感特性。
自20世纪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Delft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系列风力机翼型等。这些翼型中，部分翼型缺乏高雷诺数下的实验验证，部分翼型在较大粗糙度时气动性能下降严重。
国内风力机翼型设计研究起步较晚，但发展较快，西北工业大学设计发展了NPU-WA翼型族[专利号：CN201110023215.1]、[专利号：CN201410269752.8]、[专利号：CN201410270941.7]，重庆大学设计发展了CQU系列翼型[专利号：CN200910191275.7]、中国科学院工程热物理研究所设计发展了CAS翼型族[专利号：CN201020677153.7]等，几所单位都在近年来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5个不同雷诺数的风洞实验，证实该翼型族在设计升力系数下的升阻比优于或相当于国外的同类翼型。
具体的，西北工业大学申请的专利[CN201110023215.1]“一族用于兆瓦级风力机叶片的翼型”公开了一族用于兆瓦级风力机叶片的翼型，共包括7个翼型，7个翼型的相对厚度分别为15％、18％、21％、25％、30％、35％和40％，该发明相比传统翼型有更高的最大升力系数，以及具有较高的设计升力系数、更大的升阻比和更好的高雷诺数特性，其主翼型和外侧翼型的设计雷诺数为6.0×106。但是，该发明的设计对象为兆瓦级风力机，其设计雷诺数对于多兆瓦级(5MW-10MW)风力机而言较低，不适用于多兆瓦级大型风力机叶片；专利[CN200910191275.7]“风力机专用翼型设计方法及风力机专用翼型”公开了一种风力机专用翼型设计方法及采用该方法设计得到的风力机专用翼型，发明的风力机专用翼型在1×106～3×106雷诺数范围内具有良好的性能，但该发明的风力机翼型只是在低雷诺数下具有良好的气动性能，并不适用于多兆瓦级(5MW-10MW)大型风力机叶片；专利[CN201410534926.9]“风力机翼型正设计方法及风力机翼型族”公开了一种风力机翼型正设计方法和一种风力机翼型，但其仅考虑低雷诺数下的翼型气动特性，并不适用于多兆瓦级(5MW-10MW)大型风力机叶片，且设计的翼型族仅包含相对厚度为15％、18％和21％的3种小厚度风力机外侧翼型，而多兆瓦级(5MW-10MW)大型风力机叶片则需要选用一系列不同厚度的风力机翼型进行设计；专利[CN201510183743.1]“一种利用贝塞尔函数曲线的风力机翼型设计方法”公开了一种利用贝塞尔函数曲线的风力机翼型设计方法，但仅对通过该方法设计出的风力机翼型进行了中低雷诺数条件下升阻比特性的研究，并未考虑高雷诺数条件下风力机翼型的性能，并不适用于多兆瓦级(5MW-10MW)大型风力机叶片；专利[CN201410850976.8]“一种风力机翼型的多学科优化设计方法”公开了一种风力机翼型的多学科优化设计方法，该方法同时对翼型的气动性能、结构属性及声学特性进行优化，但该发明并未针对多兆瓦级(5MW-10MW)风力机叶片设计发明出一族风力机翼型；专利[CN201510047830.4]“一种垂直轴风力机翼型的气动优化设计方法”涉及一种垂直轴风力机翼型的气动优化设计方法，但其并不适用于水平轴风力机翼型的设计研究，更未涉及到多兆瓦级风力机翼型的设计研究；专利[CN201310234549.2]“一族大厚度钝尾缘风力机翼型及其设计方法”公开了一族大厚度钝尾缘风力机翼型及其设计方法，具体包括四种相对厚度分别为45％、50％、55％和60％的风力机翼型，且均具有一定的后缘厚度，四种翼型的设计雷诺数为中低雷诺数，依次为4.0×106、3.5×106、3.0×106和2.5×106，考虑到多兆瓦级(5MW-10MW)风力机的运行工况，该发明翼型的设计雷诺数过低，并不适用于多兆瓦级大型风力机叶片；专利[CN201020677153.7]“一种风力机叶片翼型族”公开了一种涉及风力机叶片的钝尾缘厚翼型族，将厚翼型用于叶片根部以取代传统的圆柱型结构，从而提高叶片性能，但该发明翼型的设计目标是在1.0×106～3.0×106中低雷诺数范围内，翼型具有良好的气动性能和结构特性，同样并不适用于多兆瓦级大型风力机叶片。
由此可见，现有技术中已公开的各类风力机翼型，均不适用于多兆瓦级大型风力机叶片，开发一种适用于多兆瓦级大型风力机叶片的翼型族，是目前迫切需要解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一族适用于5-10兆瓦风力机叶片的翼型，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一族适用于5-10兆瓦风力机叶片的翼型，包括8个适用于5-10兆瓦风力机叶片的翼型，将8个翼型分别记为：NPU-MWA-180、NPU-MWA-210、NPU-MWA-250、NPU-MWA-300、NPU-MWA-350、NPU-MWA-400、NPU-MWA-500和NPU-MWA-600；各个翼型的几何特征见表1：
表1NPU-MWA多兆瓦级风力机翼型族的翼型命名与几何特征
NPU-MWA翼型族 相对厚度 最大厚度位置 后缘厚度
NPU-MWA-180 18％C 32％C 0.46％C
NPU-MWA-210 21％C 32％C 0.68％C
NPU-MWA-250 25％C 32％C 0.90％C
NPU-MWA-300 30％C 32％C 3.8％C
NPU-MWA-350 35％C 32％C 6.1％C
NPU-MWA-400 40％C 32％C 8.7％C
NPU-MWA-500 50％C 32％C 12％C
NPU-MWA-600 60％C 32％C 15％C
其中，C为翼型弦长。
各翼型上表面和下表面的几何坐标表达式分别为：
其中，yup表示翼型的上表面纵坐标；ylow表示翼型的下表面纵坐标；Aup代表翼型上表面几何坐标的表达式系数；Alow代表翼型下表面几何坐标的表达式系数；x表示翼型的表面横坐标；
翼型族中各个翼型的系数Aup和Alow的值分别见表2-表9：
表2NPU-MWA-180翼型的几何坐标表达式系数
表3NPU-MWA-210翼型的几何坐标表达式系数
表4NPU-MWA-250翼型的几何坐标表达式系数
表5NPU-MWA-300翼型的几何坐标表达式系数
表6NPU-MWA-350翼型的几何坐标表达式系数
表7NPU-MWA-400翼型的几何坐标表达式系数
表8NPU-MWA-500翼型的几何坐标表达式系数
表9NPU-MWA-600翼型的几何坐标表达式系数
本发明提供的一族适用于5-10兆瓦风力机叶片的翼型具有以下优点：
本发明提供的应用于5-10兆瓦变速变桨型风力机叶片的翼型族，为一族从薄翼型到厚翼型的系列化翼型族，该翼型族在高雷诺数和高设计升力系数条件下具有高升阻比和低粗糙度敏感性。
附图说明
图1为本发明提供的翼型族配置的一个风力机叶片示意图；
图2为本发明提供的NPU-MWA-180翼型的几何外形图；
图3为本发明提供的NPU-MWA-210翼型的几何外形图；
图4为本发明提供的NPU-MWA-250翼型的几何外形图；
图5为本发明提供的NPU-MWA-300翼型的几何外形图；
图6为本发明提供的NPU-MWA-350翼型的几何外形图；
图7为本发明提供的NPU-MWA-400翼型的几何外形图；
图8为本发明提供的NPU-MWA-500翼型的几何外形图；
图9为本发明提供的NPU-MWA-600翼型的几何外形图；
图10为NPU-MWA-180翼型与同类翼型的升阻比特性比较图(RANS，Ma＝0.2，Re＝9×106，自由转捩)；
图11为NPU-MWA-180翼型与同类翼型的粗糙度敏感性随雷诺数变化比较图(RANS)；
图12为NPU-MWA-210翼型与同类翼型的升阻比特性比较图(RANS，Ma＝0.2，Re＝9×106，自由转捩)；
图13为NPU-MWA-210翼型与同类翼型的粗糙度敏感性随雷诺数变化比较图(RANS)；
图14为NPU-MWA-250翼型与同类翼型的升阻比特性比较图(RANS，Ma＝0.2，Re＝9×106，自由转捩)；
图15为NPU-MWA-250翼型与同类翼型的粗糙度敏感性随雷诺数变化比较图(RANS)；
图16为NPU-MWA-300翼型与同类翼型的升阻比特性比较图(RANS，Ma＝0.2，Re＝8×106，自由转捩)；
图17为NPU-MWA-300翼型与同类翼型的粗糙度敏感性随雷诺数变化比较图(RANS)；
图18为NPU-MWA-350翼型与同类翼型的升阻比特性比较图(RANS，Ma＝0.2，Re＝7×106，自由转捩)；
图19为NPU-MWA-350翼型与同类翼型的粗糙度敏感性随雷诺数变化比较图(RANS)；
图20为NPU-MWA-400翼型与同类翼型的升阻比特性比较图(RANS，Ma＝0.2，Re＝6×106，自由转捩)；
图21为NPU-MWA-400翼型与同类翼型的粗糙度敏感性随雷诺数变化比较图(RANS)。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明旨在设计出满足海上大型风力机(5MW-10MW)叶片需求的高雷诺数、高设计升力、高升阻比以及低粗糙度敏感性的多兆瓦级风力机翼型族，将本发明设计的风力机翼型族记为NPU-MWA风力机翼型族。
本发明针对设计指标，综合运用反设计方法、优化设计方法、人-机对话修改设计方法和校核计算方法等多种计算设计技术，设计了一族具有低粗糙度敏感性以及在高雷诺数、高设计升力系数条件下具有高升阻比的适用于多兆瓦级变桨变速风力机叶片的翼型。
具体的，本发明提供的一族适用于5-10兆瓦风力机叶片的翼型，包括8个适用于5-10兆瓦风力机叶片的翼型，将8个翼型分别记为：NPU-MWA-180、NPU-MWA-210、NPU-MWA-250、NPU-MWA-300、NPU-MWA-350、NPU-MWA-400、NPU-MWA-500和NPU-MWA-600；各个翼型的几何特征见表1：
表1NPU-MWA多兆瓦级风力机翼型族的翼型命名与几何特征
NPU-MWA翼型族 相对厚度 最大厚度位置 后缘厚度
NPU-MWA-180 18％C 32％C 0.46％C
NPU-MWA-210 21％C 32％C 0.68％C
NPU-MWA-250 25％C 32％C 0.90％C
NPU-MWA-300 30％C 32％C 3.8％C
NPU-MWA-350 35％C 32％C 6.1％C
NPU-MWA-400 40％C 32％C 8.7％C
NPU-MWA-500 50％C 32％C 12％C
NPU-MWA-600 60％C 32％C 15％C
其中，C为翼型弦长。
各翼型上表面和下表面的几何坐标表达式分别为：
其中，yup表示翼型的上表面纵坐标；ylow表示翼型的下表面纵坐标；Aup代表翼型上表面几何坐标的表达式系数；Alow代表翼型下表面几何坐标的表达式系数；x表示翼型的表面横坐标；
翼型族中各个翼型的系数Aup和Alow的值分别见表2-表9：
表2NPU-MWA-180翼型的几何坐标表达式系数
表3NPU-MWA-210翼型的几何坐标表达式系数
表4NPU-MWA-250翼型的几何坐标表达式系数
表5NPU-MWA-300翼型的几何坐标表达式系数
表6NPU-MWA-350翼型的几何坐标表达式系数
表7NPU-MWA-400翼型的几何坐标表达式系数
表8NPU-MWA-500翼型的几何坐标表达式系数
表9NPU-MWA-600翼型的几何坐标表达式系数
本发明提供的上述一族适用于5-10兆瓦风力机叶片的翼型，主要特征包括：
(1)主翼型及外侧翼型的设计雷诺数达到了900万；
(2)设计升力系数不小于1.2；
(3)具有高的最大升力系数及和缓的失速特性；
(4)最大升力系数对前缘粗糙度不敏感；
(5)在高雷诺数和高升力设计条件下，NPU-MWA翼型族比其它同类相同厚度翼型族具有更高的升阻比；
(6)30％-60％相对厚度的内侧翼型采用平底后缘翼型，具有较好的气动特性和结构特性。
(7)NPU-MWA翼型族比其它同类翼型族有更好的几何和气动兼容性；
(8)在非设计状态，NPU-MWA翼型族依旧具有优良的气动特性；NPU-MWA翼型族的外侧翼型在具有较高升阻比的同时还具有较低的粗糙度敏感性，内侧翼型则具有较好的气动特性和结构特性。
本发明所提供的NPU-MWA翼型族，具有较高的设计升力系数、更大的升阻比和更好的高雷诺数气动特性。因为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以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；更大的升阻比可以提高风能利用系数，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。
以下通过实验例，对本发明提供的NPU-MWA翼型族的优点进行验证：
实验例1
发明人使用雷诺平均Navier-Stokes方法(RANS)计算了本发明NPU-MWA翼型族的气动性能，分别采用了自由转捩计算和全湍流计算，计算结果如表10所示，翼型的设计升力系数均超过了1.2。表10中的截面惯性矩均为翼型弦长为1m的假设下计算得到。
表10NPU-MWA多兆瓦级风力机翼型族主要气动特性
实验例2
本实验例用于比较NPU-MWA-180翼型与同类对比翼型空气动力学性能的差异。
具体的，以本发明公开的NPU-MWA-180翼型为设计翼型，以相同相对厚度的NPU-WA翼型和DU翼型作为对比翼型，即：DU96-W-180翼型和NPU-WA-180翼型为对比翼型。其中，DU96-W-180翼型为荷兰Delft大学设计的相对厚度为0.18的翼型；参考文献“Design ofAirfoils for Wind Turbine Blades”，链接为https://gcep.stanford.edu/pdfs/ energy_workshops_04_04/wind_van_rooij.pdf；NPU-WA-180翼型为专利申请号为CN201110023215.1的发明专利公开的相对厚度为0.18的翼型。
发明人使用翼型气动分析软件对比计算了NPU-MWA-180翼型、DU96-W-180翼型和NPU-WA-180翼型的气动性能，如图10所示，为采用RANS方法，在Ma＝0.2，Re＝9×106，自由转捩状态下，得到的NPU-MWA-180翼型与同类翼型的升阻比特性曲线图。如图11所示，为采用RANS方法得到的NPU-MWA-180翼型与同类翼型的粗糙度敏感性随雷诺数变化图。在图10和图11中，1代表DU96-W-180翼型的气动特性计算结果图(RANS，Ma＝0.2，Re＝9×106，自由转捩)；2代表NPU-WA-180翼型的气动特性计算结果(RANS，Ma＝0.2，Re＝9×106，自由转捩)；3代表NPU-MWA-180翼型的气动特性计算结果(RANS，Ma＝0.2，Re＝9×106，自由转捩)。
实验例3
本实验例用于比较NPU-MWA-210翼型与同类对比翼型空气动力学性能的差异。
具体的，以本发明公开的NPU-MWA-210翼型为设计翼型，以相同相对厚度的NPU-WA翼型和DU翼型作为对比翼型，即：DU93-W-210翼型和NPU-WA-210翼型为对比翼型。其中，DU93-W-210翼型为荷兰Delft大学设计的相对厚度为0.21的翼型；参考文献为丹麦国家实验室2001年发布的“Wind Turbine Airfoil Catalogue”，链接为http:// orbit.dtu.dk/files/7728949/ris_r_1280.pdf；NPU-WA-210翼型为专利申请号为CN201110023215.1的发明专利公开的相对厚度为0.21的翼型。
发明人使用翼型气动分析软件对比计算了NPU-MWA-210翼型、DU93-W-210翼型和NPU-WA-210翼型的气动性能，如图12所示，为采用RANS方法，在Ma＝0.2，Re＝9×106，自由转捩状态下，得到的NPU-MWA-210翼型与同类翼型的升阻比特性曲线图。如图13所示，为采用RANS方法得到的NPU-MWA-210翼型与同类翼型的粗糙度敏感性随雷诺数变化图。在图12和图13中，4代表DU93-W-210翼型的气动特性计算结果(RANS，Ma＝0.2，Re＝9×106，自由转捩)；5代表NPU-WA-210翼型的气动特性计算结果(RANS，Ma＝0.2，Re＝9×106，自由转捩)；6代表NPU-MWA-210翼型的气动特性计算结果(RANS，Ma＝0.2，Re＝9×106，自由转捩)。
实验例4
本实验例用于比较NPU-MWA-250翼型与同类对比翼型空气动力学性能的差异。
具体的，以本发明公开的NPU-MWA-250翼型为设计翼型，以相同相对厚度的NPU-WA翼型和DU翼型作为对比翼型，即：DU91-W2-250翼型和NPU-WA-250翼型为对比翼型。其中，DU91-W2-250翼型为荷兰Delft大学设计的相对厚度为0.25的翼型；参考文献为丹麦国家实验室2001年发布的“Wind Turbine Airfoil Catalogue”，链接为http:// orbit.dtu.dk/files/7728949/ris_r_1280.pdf；NPU-WA-250翼型为专利申请号为CN201110023215.1的发明专利公开的相对厚度为0.25的翼型。
发明人使用翼型气动分析软件对比计算了NPU-MWA-250翼型、DU91-W2-250翼型和NPU-WA-250翼型的气动性能，如图14所示，为采用RANS方法，在Ma＝0.2，Re＝9×106，自由转捩状态下，得到的NPU-MWA-250翼型与同类翼型的升阻比特性曲线图。如图15所示，为采用RANS方法得到的NPU-MWA-250翼型与同类翼型的粗糙度敏感性随雷诺数变化图。在图14和图15中，7代表DU91-W2-250翼型的气动特性计算结果(RANS，Ma＝0.2，Re＝9×106，自由转捩)；8代表NPU-WA-250翼型的气动特性计算结果(RANS，Ma＝0.2，Re＝9×106，自由转捩)；9代表NPU-MWA-250翼型的气动特性计算结果(RANS，Ma＝0.2，Re＝9×106，自由转捩)。
实验例5
本实验例用于比较NPU-MWA-300翼型与同类对比翼型空气动力学性能的差异。
具体的，以本发明公开的NPU-MWA-300翼型为设计翼型，以相同相对厚度的NPU-WA翼型和DU翼型对称加厚至设计翼型的后缘厚度所得到的翼型为对比翼型，命名用-thicken加以表示。即，采用DU97-W-300-thicken翼型和NPU-WA-300-thicken翼型为对比翼型，其中，DU97-W-300-thicken翼型表示由相对厚度30％的DU97-W-300翼型对称加厚至设计翼型的后缘厚度得到；NPU-WA-300-thicken翼型表示由相对厚度30％的NPU-WA-300翼型对称加厚至设计翼型的后缘厚度得到。其中，DU97-W-300翼型为荷兰Delft大学设计的相对厚度为0.30的翼型；参考文献“Design of Airfoils for Wind Turbine Blades”，链接为：https://gcep.stanford.edu/pdfs/energy_workshops_04_04/wind_van_rooij.pdf；NPU-WA-300翼型为专利申请号为CN201110023215.1的发明专利公开的相对厚度为0.30的翼型。
发明人使用翼型气动分析软件对比计算了NPU-MWA-300翼型、DU97-W-300-thicken翼型和NPU-WA-300-thicken翼型的气动性能。如表11所示，为NPU-MWA-300翼型与同类翼型的结构特性对比表。
如图16所示，为采用RANS方法，在Ma＝0.2，Re＝8×106，自由转捩状态下，得到的NPU-MWA-300翼型与同类翼型的升阻比特性曲线图。如图17所示，为采用RANS方法得到的NPU-MWA-300翼型与同类翼型的粗糙度敏感性随雷诺数变化图。在图16和图17中，10代表DU97-W-300-thicken翼型的气动特性计算结果(RANS，Ma＝0.2，Re＝8×106，自由转捩)；11代表NPU-WA-300-thicken翼型的气动特性计算结果(RANS，Ma＝0.2，Re＝8×106，自由转捩)；12代表NPU-MWA-300翼型的气动特性计算结果(RANS，Ma＝0.2，Re＝8×106，自由转捩)。
表11 30％相对厚度翼型结构特性列表
翼型 DU97-W-300-thicken NPU-WA-300-thicken NPU-MWA-300
I<sub>xx</sub>(m<sup>4</sup>) 8.7640×10<sup>-4</sup> 8.7460×10<sup>-4</sup> 9.4340×10<sup>-4</sup>
I<sub>xx_skin</sub>(m<sup>3</sup>) 2.1590×10<sup>-2</sup> 2.1513×10<sup>-2</sup> 2.2902×10<sup>-2</sup>
实验例6
本实验例用于比较NPU-MWA-350翼型与同类对比翼型空气动力学性能的差异。
具体的，以本发明公开的NPU-MWA-350翼型为设计翼型，以相同相对厚度的NPU-WA翼型和DU翼型对称加厚至设计翼型的后缘厚度所得到的翼型为对比翼型，命名用-thicken加以表示。即，采用DU00-W2-350-thicken翼型和NPU-WA-350-thicken翼型为对比翼型，其中，DU00-W2-350-thicken翼型表示由相对厚度35％的DU00-W2-350翼型对称加厚至设计翼型的后缘厚度得到；NPU-WA-350-thicken翼型表示由相对厚度35％的NPU-WA-350翼型对称加厚至设计翼型的后缘厚度得到。其中，DU00-W2-350翼型为荷兰Delft大学设计的相对厚度为0.35的翼型；参考文献“Design of Thick Airfoils for Wind Turbines”，链接为http://energy.sandia.gov/wp-content//gallery/uploads/2B-C-2-Grasso.pdf；NPU-WA-350翼型为专利申请号为CN201110023215.1的发明专利公开的相对厚度为0.35的翼型。
发明人使用翼型气动分析软件对比计算了NPU-MWA-350翼型、DU00-W2-350-thicken翼型和NPU-WA-350-thicken翼型的气动性能。如表12所示，为NPU-MWA-350翼型与同类翼型的结构特性对比表。
如图18所示，为采用RANS方法，在Ma＝0.2，Re＝7×106，自由转捩状态下，得到的NPU-MWA-350翼型与同类翼型的升阻比特性曲线图。如图19所示，为采用RANS方法得到的NPU-MWA-350翼型与同类翼型的粗糙度敏感性随雷诺数变化图。在图18和图19中，13代表DU00-W2-350-thicken翼型的气动特性计算结果(RANS，Ma＝0.2，Re＝7×106，自由转捩)；14代表NPU-WA-350-thicken翼型的气动特性计算结果(RANS，Ma＝0.2，Re＝7×106，自由转捩)；15代表NPU-MWA-350翼型的气动特性计算结果(RANS，Ma＝0.2，Re＝7×106，自由转捩)。
表12 35％相对厚度翼型结构特性列表
翼型 DU00-W2-350-thicken NPU-WA-350-thicken NPU-MWA-350
I<sub>xx</sub>(m<sup>4</sup>) 1.4885×10<sup>-3</sup> 1.4860×10<sup>-3</sup> 1.5565×10<sup>-3</sup>
I<sub>xx_skin</sub>(m<sup>3</sup>) 3.1596×10<sup>-2</sup> 3.1370×10<sup>-2</sup> 3.2682×10<sup>-2</sup>
实验例7
本实验例用于比较NPU-MWA-400翼型与同类对比翼型空气动力学性能的差异。
具体的，以本发明公开的NPU-MWA-400翼型为设计翼型，以相同相对厚度的NPU-WA翼型和DU翼型对称加厚至设计翼型的后缘厚度所得到的翼型为对比翼型，命名用-thicken加以表示。即，采用DU00-W2-401-thicken翼型和NPU-WA-400-thicken翼型为对比翼型，其中，DU00-W2-401-thicken翼型表示由相对厚度40％的DU00-W2-401翼型对称加厚至设计翼型的后缘厚度得到；NPU-WA-400-thicken翼型表示由相对厚度40％的NPU-WA-400翼型对称加厚至设计翼型的后缘厚度得到。其中，DU00-W2-401翼型为荷兰Delft大学设计的相对厚度为0.40的翼型；参考文献“Design of Thick Airfoils for Wind Turbines”，链接为http://energy.sandia.gov/wp-content//gallery/uploads/2B-C-2-Grasso.pdf；；NPU-WA-400翼型为专利申请号为CN201110023215.1的发明专利公开的相对厚度为0.40的翼型。
发明人使用翼型气动分析软件对比计算了NPU-MWA-400翼型、DU00-W2-401-thicken翼型和NPU-WA-400-thicken翼型的气动性能，如表13所示，为NPU-MWA-400翼型与同类翼型的结构特性对比表。
如图20所示，为采用RANS方法，在Ma＝0.2，Re＝6×106，自由转捩状态下，得到的NPU-MWA-400翼型与同类翼型的升阻比特性曲线图。如图21所示，为采用RANS方法得到的NPU-MWA-400翼型与同类翼型的粗糙度敏感性随雷诺数变化图。在图20和图21中，16代表DU00-W2-401-thicken翼型的气动特性计算结果(RANS，Ma＝0.2，Re＝6×106，自由转捩)；17代表NPU-WA-400-thicken翼型的气动特性计算结果(RANS，Ma＝0.2，Re＝6×106，自由转捩)；18代表NPU-MWA-400翼型的气动特性计算结果(RANS，Ma＝0.2，Re＝6×106，自由转捩)。
表13 40％相对厚度翼型结构特性列表
翼型 DU00-W2-401-thicken NPU-WA-400-thicken NPU-MWA-400
I<sub>xx</sub>(<sub>m</sub><sup>4</sup>) 2.3058×10<sup>-3</sup> 2.3019×10<sup>-3</sup> 2.4282×10<sup>-3</sup>
I<sub>xx_skin</sub>(m<sup>3</sup>) 4.3133×10<sup>-2</sup> 4.3063×10<sup>-2</sup> 4.4884×10<sup>-2</sup>
实验例8
本实验例用于比较NPU-MWA-500翼型与同类对比翼型空气动力学性能的差异。
需要说明的是，对于相对厚度50％的翼型，目前还没有出现专门针对雷诺数400万以上条件设计的钝尾缘风力机翼型，因此，发明人采用已有的相对厚度40％的NPU-WA-400翼型，通过仿射后得到50％相对厚度的翼型，再将后缘对称加厚至设计翼型的后缘厚度作为对比翼型(以FS表示)，即：将所得到的最终的对比翼型命名为NPU-WA500(FS)-thicken，表示由相对厚度40％的NPU-WA-400翼型，通过仿射后得到50％相对厚度的翼型，再将后缘对称加厚至设计翼型的后缘厚度。其中，NPU-WA-400翼型为专利申请号为CN201110023215.1的发明专利公开的相对厚度为0.40的翼型。
NPU-MWA-500翼型和NPU-WA500(FS)-thicken的结构特性对比见表14。
表14 50％相对厚度翼型结构特性列表
翼型 NPU-WA500(FS)-thicken NPU-MWA-500
I<sub>xx</sub>(m<sup>4</sup>) 4.6383×10<sup>-3</sup> 4.7239×10<sup>-3</sup>
I<sub>xx_skin</sub>(m<sup>3</sup>) 7.0557×10<sup>-2</sup> 7.1893×10<sup>-2</sup>
实验例9
本实验例用于比较NPU-MWA-600翼型与同类对比翼型空气动力学性能的差异。
需要说明的是，对于相对厚度60％的翼型，目前还没有出现专门针对雷诺数400万以上条件设计的钝尾缘风力机翼型，因此，发明人采用已有的相对厚度40％的NPU-WA-400翼型，通过仿射后得到60％相对厚度的翼型，再将后缘对称加厚至设计翼型的后缘厚度作为对比翼型(以FS表示)，即：将所得到的最终的对比翼型命名为NPU-WA600(FS)-thicken，表示由相对厚度40％的NPU-WA-400翼型，通过仿射后得到60％相对厚度的翼型，再将后缘对称加厚至设计翼型的后缘厚度。
因此，NPU-MWA-600翼型和NPU-WA600(FS)-thicken的结构特性对比见表15。
表15 60％相对厚度翼型结构特性列表
翼型 NPU-WA600(FS)-thicken NPU-MWA-600
I<sub>xx</sub>(m<sup>4</sup>) 8.0367×10<sup>-3</sup> 8.1241×10<sup>-3</sup>
I<sub>xx_skin</sub>(m<sup>3</sup>) 1.0459×10<sup>-1</sup> 1.0596×10<sup>-1</sup>
对于本发明提供的上述实验例2到实验例9，可概括描述为：
对于本发明提供的相对厚度25％及以下的设计翼型，即：NPU-MWA-180翼型、NPU-MWA-210翼型和NPU-MWA-250翼型，采用与设计翼型相同相对厚度的NPU-WA翼型和DU翼型作为对比翼型；
对于本发明提供的相对厚度30％到相对厚度40％的设计翼型，即：NPU-MWA-300翼型、NPU-MWA-350翼型和NPU-MWA-400翼型，采用的对比翼型由相同相对厚度的NPU-WA翼型和DU翼型对称加厚至设计翼型的后缘厚度得到，命名用-thicken加以表示。
对于本发明提供的相对厚度50％和60％的设计翼型，即：NPU-MWA-500翼型和NPU-MWA-600翼型，由于目前没有出现专门针对雷诺数400万以上条件设计的钝尾缘风力机翼型，因此采用已有的相对厚度40％的NPU-WA-400翼型，通过仿射后得到50％和60％相对厚度的翼型，再将后缘对称加厚至设计翼型的后缘厚度作为对比翼型(以FS表示)。
本发明中，表11、表12、表13、表14和表15分别给出了内侧相对厚度为30％、35％、40％、50％和60％的风力机翼型的截面惯性矩特性对比，结果表明，设计翼型的截面惯性矩均优于对比翼型。
图10～图21分别为相对厚度18％、21％、25％、30％、35％和40％风力机翼型的气动特性对比。结果表明：
(1)所发明的NPU-MWA多兆瓦级风力机翼型族，其设计升力系数均超过了1.2，在高雷诺数高设计升力系数条件下具有高的升阻比；
(2)对于外侧翼型(相对厚度18％、21％、25％)，设计翼型的最大升阻比及其对应的升力系数均高于对比翼型，最大升力系数高于同类DU翼型，粗糙度敏感性因子优于同类NPU-WA翼型。即NPU-MWA外侧设计翼型同时兼顾DU翼型的低粗糙度敏感性和NPU-WA翼型的高升力特性，实现了多兆瓦级风力机翼型族在高雷诺数、高设计升力系数条件下的高升阻比和低粗糙度敏感性；
(3)对于内侧翼型(相对厚度30％、35％、40％)，设计翼型的最大升阻比均高于对比翼型；设计翼型的粗糙度敏感性与对比翼型相当；对于内侧翼型(相对厚度50％、60％)，由于其作用主要是替代根部圆柱及过渡段，对风力机叶片的气动性能贡献非常小，设计时更多地考虑了翼型的结构特性及几何兼容性，因此未对其进行气动性能对比。
综上所述，本发明提供的NPU-MWA多兆瓦级风力机翼型族，在满足气动兼容性和几何兼容性的同时，具有优良的气动特性和结构特性，尤其具有较高的设计升力系数、更大的升阻比和更好的高雷诺数气动特性，可以满足大型风力机叶片的设计需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一族适用于5-10兆瓦风力机叶片的翼型，其特征在于，包括8个适用于5-10兆瓦风力机叶片的翼型，将8个翼型分别记为：NPU-MWA-180、NPU-MWA-210、NPU-MWA-250、NPU-MWA-300、NPU-MWA-350、NPU-MWA-400、NPU-MWA-500和NPU-MWA-600；各个翼型的几何特征见表1：
表1 NPU-MWA多兆瓦级风力机翼型族的翼型命名与几何特征
NPU-MWA翼型族 相对厚度 最大厚度位置 后缘厚度 NPU-MWA-180 18％C 32％C 0.46％C NPU-MWA-210 21％C 32％C 0.68％C NPU-MWA-250 25％C 32％C 0.90％C NPU-MWA-300 30％C 32％C 3.8％C NPU-MWA-350 35％C 32％C 6.1％C NPU-MWA-400 40％C 32％C 8.7％C NPU-MWA-500 50％C 32％C 12％C NPU-MWA-600 60％C 32％C 15％C
其中，C为翼型弦长；
各翼型上表面和下表面的几何坐标表达式分别为：
其中，yup表示翼型的上表面纵坐标；ylow表示翼型的下表面纵坐标；Aup代表翼型上表面几何坐标的表达式系数；Alow代表翼型下表面几何坐标的表达式系数；x表示翼型的表面横坐标；
翼型族中各个翼型的系数Aup和Alow的值分别见表2-表9：
表2 NPU-MWA-180翼型的几何坐标表达式系数
表3 NPU-MWA-210翼型的几何坐标表达式系数
表4 NPU-MWA-250翼型的几何坐标表达式系数
表5 NPU-MWA-300翼型的几何坐标表达式系数
表6 NPU-MWA-350翼型的几何坐标表达式系数
表7 NPU-MWA-400翼型的几何坐标表达式系数
表8 NPU-MWA-500翼型的几何坐标表达式系数
表9 NPU-MWA-600翼型的几何坐标表达式系数
使用雷诺平均Navier-Stokes方法计算了NPU-MWA翼型族的气动性能，分别采用了自由转捩计算和全湍流计算，计算结果如下表所示：
NPU-MWA多兆瓦级风力机翼型族主要气动特性
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