CN112065651B - 一种用于风力发电机组的风轮叶片层的翼型 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种用于风力发电机组的风轮叶片层的翼型，涉及空气动力技术领域，能够提高升力系数，实现更大的失速迎角和更小的阻力，从而提高了风力发电机组风轮的风能吸收效率。本发明包括：S1段和S5段为翼型的后缘收缩段，S1段与S5段在翼型的后缘位置处封闭连接；S2段为翼型的上表面平滑过渡段，分别与S1段和S3段封闭连接，配合下表面的S5段，设计翼型的中弧线弯度更大；S3段的为翼型上表面前缘段，与S2段和S4段连接；S4段与翼型下表面前缘段，与S3段和S5段连接，与S809翼型相比，弯度更大。本发明适用于风力发电机组风轮叶片设计中的高升阻比翼型。
Description
技术领域
本发明涉及空气动力技术领域，尤其涉及一种主要应用在风力发电领域中的，可以改进风力发电机组的风轮叶片层的翼型。
背景技术
对于风力叶片的几何外形而言，翼型是构成叶片的“基因”，其气动性能直接影响到风力机叶片的气动性能，因此风力发电机组风轮叶片气动外形的设计离不开翼型设计。上世纪80年代之前，风力机翼型常采用航空翼型。然而，如图1所示的，航空翼型通常是在压音速条件下设计，低速条件下气动性能不能得到有效地保证，此外还存在厚度较小、无法满足结构需求的弊端，同时，在大迎角下翼型的失速严重。因此，目前对航空翼型的研究，已难以满足风轮的设计要求。
因此，从20世纪80年代开始，在风力机叶片日益大型化的趋势下，对高性能风力机专用翼型的需求越发迫切。国外众多机构在上世纪开展了大型风力机专用翼型的研究，取得了丰硕的成果，形成了多个系列的风力机专用翼型，如美国国家航空航天局(NASA)设计的NACA系列翼型、美国国家可再生能源实验室(NREL)设计的NREL-S系列翼型、荷兰Delft大学设计的DU系列翼型、丹麦的Ris系列翼型、瑞典航空研究院设计的FFA系列翼型等，并被众多的风电企业采用，对风力发电机性能的改善起到了至关重要的作用。
目前风力机翼型的设计方案，其气动性能能够有效提高风轮对于风能的吸收效率，从而提高风力机的经济效率。但目前的风力机专用翼型，也存在大迎角下气流分离问题，从而翼型的阻力较大，降低了风力机风轮的经济效益。
发明内容
本发明的实施例提供一种用于风力发电机组的风轮叶片层的翼型，能够提高升力系数，实现更大的失速迎角和更小的阻力，从而提高了风力发电机组风轮的风能吸收效率。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
提供一种用于风力发电机组的风轮叶片层的翼型，包括：所述翼型为所述风轮叶片的剖面的形状，所述翼型外表面由S1至S5段组成；S1段和S5段为所述翼型的后缘收缩段，S1段与S5段在所述翼型的后缘位置处封闭连接；S2段为翼型的上表面平滑过渡段，S2段分别与S1段和S3段封闭连接，通过配合下表面的S6段，设计翼型的中弧线弯度更大；S3段为翼型上表面的前缘段，S3段与S2段和S4段连接；S4段为翼型下表面的前缘段，S4段与S3段和S5段连接，这与S809翼型相比，曲率更大；S5段为翼型后段下表面的封闭段，曲线与S809相似；所述翼型的中弧线呈S型。上表面中段和后段平缓，具有层流翼型特征，翼型后段弯度更大，所述翼型，其中：翼型的中弧线呈“S”型，从而保证了翼型小迎角下的升力系数。翼型上表面中段位置平滑过度，保证翼型在大迎角下逆压梯度较小，进而抑制了气流分离，改善了翼型的升力及阻力特性。
具体的，S1段的长度大于0.85单位且小于1单位；S2段的长度大于0.39单位且小于0.85单位；S3段处于下表面部分的长度大于0.0单位且小于0.39单位；S4段的长度大于0.0单位且小于0.32单位。S5的长度大于0.32单位且小于1.0单位；其中，1个所述单位等于所述翼型的弦线长度。
翼型的中弧线为S型，且中弧线的前段下凹，中弧线的后段上凸，所述翼型的中弧线与所述翼型的弦线的交点位于0.46单位处。所述翼型的最大厚度L1为0.199单位，所述翼型呈现最大厚度的位置距离前缘0.349单位。所述翼型的后缘夹角A1为13.36°。
通过翼型的上表面中段平滑过度，翼型前缘段下表面大曲率，翼型的下表面上凹，翼型的外表面由S1-S5段组成，其中：S1段和S5段为翼型的后缘收缩段，S1段与S5段在翼型的后缘位置处封闭连接；S2段为翼型的上表面平滑过渡段，分别与S1段和S3段封闭连接，配合下表面的S5段，设计翼型的中弧线弯度更大；S3段的为翼型上表面前缘段，与S2段和S4段连接；S4段与翼型下表面前缘段，与S3段和S5段连接，与S809翼型相比，弯度更大。翼型的中弧线呈“S”型，从而保证了翼型小迎角下的升力系数。翼型上表面中段位置平滑过度，保证翼型在大迎角下逆压梯度较小，进而抑制了气流分离，改善了翼型的升力及阻力特性。相对于现有技术，本实施例的翼型设计与现有翼型相比有更大的升力系数，更大的失速迎角，且阻力更小，提高了风力发电机组风轮的风能吸收效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为现有技术中的几种典型航空翼型的升力系数特性；
图2a为本发明实施例提供的翼型剖面结构示意图；
图2b为本发明实施例提供的纵横比例为1:1的翼型剖面结构示意图；
图3(a)、图3(b)、图3(c)为本发明实施例提供翼型的气动特性的对比实验参数的示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本实施例提供一种风力发电机组风轮叶片专用翼型，能够抑制翼型大迎角下的气流分离，提高翼型升力、降低阻力，从而提高风力发电机组的发电效率。为达到该目的，本实施例的设计思路大致包括：翼型的中弧线呈“S”型，从而保证了翼型小迎角下的升力系数。翼型上表面中段位置平滑过度，保证翼型在大迎角下逆压梯度较小，进而抑制了气流分离，改善了翼型的升力及阻力特性。相对于现有技术，本实施例的翼型设计与现有翼型相比有更大的升力系数，更大的失速迎角，且阻力更小，提高了风力发电机组风轮的风能吸收效率。
具体的，本发明实施例提供一种用于风力发电机组的风轮叶片层的翼型，包括：所述翼型为所述风轮叶片的剖面的形状，所述翼型外表面由S1至S5段组成；S1段和S5段为所述翼型的后缘收缩段，S1段与S5段在所述翼型的后缘位置处封闭连接；S2段为翼型的上表面平滑过渡段，S2段分别与S1段和S3段封闭连接，通过配合下表面的S6段，设计翼型的中弧线弯度更大；S3段为翼型上表面的前缘段，S3段与S2段和S4段连接；S4段为翼型下表面的前缘段，S4段与S3段和S5段连接，这与S809翼型相比，曲率更大；S5段为翼型后段下表面的封闭段，曲线与S809相似；所述翼型的中弧线呈S型。上表面中段和后段平缓，具有层流翼型特征，翼型后段弯度更大，所述翼型，其中：翼型的中弧线呈“S”型，从而保证了翼型小迎角下的升力系数。翼型上表面中段位置平滑过度，保证翼型在大迎角下逆压梯度较小，进而抑制了气流分离，改善了翼型的升力及阻力特性。
具体的，S1段的长度大于0.85单位且小于1单位；S2段的长度大于0.39单位且小于0.85单位；S3段处于下表面部分的长度大于0.0单位且小于0.39单位；S4段的长度大于0.0单位且小于0.32单位。S5的长度大于0.32单位且小于1.0单位；其中，1个所述单位等于所述翼型的弦线长度。
在优选方案中：
S1段的长度为0.15单位；
S2段的长度为0.46单位；
S3段处于下表面部分的长度为0.39单位；
S4段的长度为0.32单位。
S5的长度为0.68单位。
具体的，述翼型的中弧线为S型，且中弧线的前段下凹，中弧线的后段上凸，所述翼型的中弧线与所述翼型的弦线的交点位于0.46单位处。
具体的，所述翼型的最大厚度L1为0.199单位，所述翼型呈现最大厚度的位置距离前缘0.349单位。
所述翼型的后缘夹角A1为13.36°。
进一步的，所述翼型的S2段中，在上表面0.44单位至0.87单位范围内曲线平滑过度。
所述翼型的S4段中，下表面0.0单位至0.32单位范围内的曲率大。
本实施例中的用于风力发电机组的风轮叶片层的翼型，涉及空气动力技术领域，能够提高静态下翼型升力、阻力特性，减小气流分离，改善风力发电机组风轮的风能吸收效率。本发明包括：翼型的上表面中段平滑过度，翼型前缘段下表面大曲率，翼型的下表面上凹，翼型的外表面由S1-S5段组成，其中：S1段和S5段为翼型的后缘收缩段，S1段与S5段在翼型的后缘位置处封闭连接；S2段为翼型的上表面平滑过渡段，分别与S1段和S3段封闭连接，配合下表面的S5段，设计翼型的中弧线弯度更大；S3段的为翼型上表面前缘段，与S2段和S4段连接；S4段与翼型下表面前缘段，与S3段和S5段连接，与S809翼型相比，弯度更大。
在实际应用中，本实施例适用于风力发电机组风轮叶片设计中的高升阻比翼型。
结合附图具体举例说明：如图2a所示的“设计翼型”，相对于S809型翼型，本实施例中所述翼型的上表面中段平滑过度，翼型前缘段下表面大曲率，所述翼型的外表面由S1-S5段组成，其中：
S1段和S5段为所述翼型的后缘收缩段，S1段与S5段在所述翼型的后缘位置处封闭连接，以保证翼型在后缘位置处封闭。
S2段为所述翼型的上表面平滑过渡段，分别与S1段和S3段封闭连接，配合下表面的S6段，设计翼型的中弧线弯度更大，以减小翼型的逆压梯度，抑制大迎角下的气流分离，同时保证翼型小迎角下的升力系数。
S3段为所述翼型上表面前缘段，与S2段和S4段连接；
S4段为所述翼型下表面前缘段，与S3段和S5段连接，与S809翼型相比，曲率更大，以抑制翼型在大迎角下的气流分离，提高升力系数，减小阻力系数。
S5段为翼型后段下表面的封闭段，曲线与S809相似。
需要说明的是，本实施例中所设计的翼型可以是如图2a所示的形状，也可以基于图2a所示形状的变形，例如：如图2b所示的形状，且变形后的形状的宽窄、高低有别于如图2a所示的形状，但变形后的形状相对于S809型翼型，所述翼型的上表面依然弯曲外凸，且所述翼型上表面中段平滑过度，翼型前缘段下表面大曲率，并且变形后的翼型的S1-S5段符合与如图2a所示的形状相同的设计条件。
具体的，在本实施例中，如图2a所示的“设计翼型”，所述翼型的最大厚度L1为0.199单位，所述翼型呈现最大厚度的位置距离前缘0.349单位。
需要说明的是，本实施例中所述的“单位”等于所述翼型的弦线长度，即1个所述翼型的弦线长度等于1个所述单位。
具体的，在本实施例中，如图2a所示的“设计翼型”，S1段的长度大于0.85单位且小于1单位。S2段的长度大于0.39单位且小于0.85单位。S3段处于下表面部分的长度大于0.0单位且小于0.39单位。S4段的长度大于0.0单位且小于0.32单位。S5的长度大于0.32单位且小于1.0单位。
在本实施例的优选方案中，所述翼型的后缘夹角A1为13.36°。
在本实施例的优选方案中，基于如图2a或2b所示的翼型，该翼型外表面各段的关键点的坐标如表1所示，包括了：翼型的上下翼面的坐标值，其中表1第二列为上翼面横坐标，表1第三列为上翼面纵坐标；表1第五列为下翼面横坐标，表1第六列为下翼面纵坐标。
表1
本实施例的翼型与现有的一种翼型的气动特性的对比情况如图3中，Re表示雷诺数。本实施例的翼型在定常状态下升力和阻力水平明显优于现有翼型。例如：图3(a)所示的为本实施例提供的翼型(比如图2a或2b所示)与S809翼型的升力系数对比图，设计实验状态雷诺数分别为5.0×105和1.0×106。可以看出，本实施例提供的翼型在雷诺数为5.0×105状态下的失速迎角为16.1°，最大升力系数从S809的1.10增加到1.269，在雷诺数为1.0×106状态下的最大升力系数从1.182增加到1.344。
再例如：图3(b)所示的为本实施例提供的翼型与S809翼型的阻力对比。从对比图中可以看出，本实施例提供的翼型的阻力系数在迎角小于10.0°时与基准S809翼型的阻力系数相当，但在失速后的阻力系数要明显小于S809的阻力系数。
再例如：图3(c)所示的为本实施例提供的翼型与S809翼型的极曲线对比。从对比图中可以看出。本实施例提供的设计翼型的极曲线总体上要优于S809翼型，在阻力系数0.02以上的升力系数明显大于S809翼型的升力系数。
在定常状态下抑制了翼型气流分离，改善了升力及阻力的变化，提高了风力发电机组的发电效率。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种用于风力发电机组的风轮叶片层的翼型，其特征在于，包括：
所述翼型为所述风轮叶片的剖面的形状，所述翼型外表面由S1至S5段组成；
S1段和S5段为所述翼型的后缘收缩段，S1段与S5段在所述翼型的后缘位置处封闭连接；
S2段为翼型的上表面平滑过渡段，S2段分别与S1段和S3段封闭连接；
S3段为翼型上表面的前缘段，S3段与S2段和S4段封闭连接；
S4段为翼型下表面的前缘段，S4段与S3段和S5段封闭连接；
S5段为翼型后段下表面的封闭段；
所述翼型的中弧线呈S型；
所述翼型的中弧线为S型，且中弧线的前段下凹，中弧线的后段上凸，所述翼型的中弧线与所述翼型的弦线的交点位于0.46单位处；
所述翼型的最大厚度L1为0.199单位，所述翼型呈现最大厚度的位置距离前缘0.349单位。
2.根据权利要求1所述的用于风力发电机组的风轮叶片层的翼型，其特征在于，
S1段的长度大于0.85单位且小于1单位；
S2段的长度大于0.39单位且小于0.85单位；
S3段处于下表面部分的长度大于0.0单位且小于0.39单位；
S4段的长度大于0.0单位且小于0.32单位；
S5的长度大于0.32单位且小于1.0单位；
其中，1个所述单位等于所述翼型的弦线长度。
3.根据权利要求2所述的用于风力发电机组的风轮叶片层的翼型，其特征在于，S1段左侧起始点可变化范围为0.82-0.88单位；
S2段左侧起始点可变化范围为0.3-0.5单位；
S4段右侧起始点可变化范围为0.3-0.36单位。
4.根据权利要求1所述的用于风力发电机组的风轮叶片层的翼型，其特征在于，所述翼型的后缘夹角A1为13.36°。
5.根据权利要求1所述的用于风力发电机组的风轮叶片层的翼型，其特征在于，所述翼型的S2段中，上表面0.44单位至0.87单位范围内曲线平滑过度。
6.根据权利要求1所述的用于风力发电机组的风轮叶片层的翼型，其特征在于，所述翼型的S4段中，前缘下表面0.0单位至0.32单位范围内的大曲率弯曲。
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