CN204663775U

CN204663775U - 一种风力机叶片翼型族

Info

Publication number: CN204663775U
Application number: CN201520273021.0U
Authority: CN
Inventors: 毛峰; 丁可琦; 张日葵
Original assignee: Nanjing Innovation Research Institute Of Peking University; Nanjing Peking University Gooding Innovation Co Ltd
Current assignee: Nanjing Innovation Research Institute Of Peking University; Nanjing Peking University Gooding Innovation Co Ltd
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2015-09-23
Anticipated expiration: 2025-04-30

Abstract

本实用新型公开了一种风力机叶片翼型族，包括第一、二、三翼型。所述第一、二、三翼型的轮廓是无量纲二维坐标平滑连接形成的封闭线，无量纲二维坐标分别是第一、二、三翼型的压力面和吸力面上各点的横坐标和纵坐标与该翼型的弦长的比值。第一、二、三翼型的相对厚度分别为23%，27%和32%，最大弯度位置分别在距各翼型前缘67.6%、74.1%和64.4%弦长处。本实用新型的翼型族满足了应用于低风速风场的大型风力机叶片对厚翼型的需求，有效地提高了厚翼型的气动特性，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。同目前存在的厚翼型相比，明显改善叶片的结构性能，降低极限工况下静载荷，从而加长叶片增加扫风面积，更多的捕获风能。

Description

一种风力机叶片翼型族

技术领域

本实用新型属于风力机叶片技术领域，特别是涉及一种风力机叶片翼型族。

背景技术

目前全国可利用风能资源区一半以上是低风速资源区，为这些地区设计的风力机都呈现塔筒高、风轮直径大的特点，与相同功率的小转轮直径的风力机相比，在结构强度方面往往需要另外的设计。为了能达到与高风速相同的产能必须加长叶片，同时需要降低叶片弦长来限制叶片的载荷。为了保证相同的出力，唯一的途径是提高翼型升力系数，因而翼型的结构性能和空气动力学性能，尤其是最大升力系数，是针对低风速风场风力机叶片设计成败的关键。高升力风力机翼型族对我国低风速风场资源的开发和利用非常重要。

对于在长叶片的风力机翼型，需要有大的相对厚度来提高叶片的结构刚度；考虑风力机的环境条件，翼型的最大升力系数对前缘粗糙度不敏感；同时因为装配和制造因素，翼型需要有一定的前缘半径及尾缘厚度。这些限制条件都是提高翼型最大升力系数的障碍。目前的风力机翼型若用于长叶片的风力机，存在厚翼型对前缘粗糙度敏感、失速特性不佳、最大升力系数较低等缺点。

实用新型内容

本实用新型要解决的问题是提供一种风力机叶片翼型族，该翼型族改善了厚翼型对前缘粗糙度敏感程度、失速特性、最大升力系数等因素，能够满足用于低风速风资源的风力机对翼型的需求。

本实用新型公开的一种风力机叶片翼型族，包括第一、二、三翼型；

所述第一、二、三翼型均包括前缘、尾缘、吸力面和压力面，以及厚度、弯度和弦长；

所述各翼型厚度为吸力面和压力面之间的最大距离，各翼型弦长为各翼型前缘和后缘之间的距离，各翼型弯度为中弧线离开几何弦线的最大距离，其中，几何弦为前后缘的连线，中弧线为吸力面和压力面的中点连线；

所述第一、二、三翼型的轮廓是无量纲二维坐标平滑连接形成的封闭曲线，无量纲二维坐标分别是第一、二、三翼型的压力面和吸力面上各点的横坐标和纵坐标与该翼型的弦长的比值。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一、二、三翼型的最大弯度位置分别在距各翼型前缘67.6%、74.1%和64.4%弦长处。由于弯度后置，减缓了前缘附近的逆压梯度，使得本翼型族中的各翼型的最大升力系数较同等厚度翼型能够提高5%-10%。

作为上述技术方案的另一种改进，所述第一、二、三翼型包括相对厚度，所述相对厚度为各翼型最大厚度与弦长的比值；所述第一、二、三翼型的相对厚度不同。

作为上述技术方案的更进一步改进，所述第一、二、三翼型的相对厚度分别为23%、27%和32%。

作为上述技术方案的另一种改进，所述各翼型的最大厚度的位置在距各翼型前缘30.2％、30.4％和24.5%弦长处。通过约束最大厚度以及最大厚度的位置，保证本实用新型翼型族各个翼型间几何和气动兼容性。

作为上述技术方案的另一种改进，所述各翼型的尾缘厚度为从前缘至尾缘弦长的0.6%、0.8%和1.0%。

作为上述技术方案的另一种改进，所述各翼型的压力面后部均为S型后加载方式。

风力机翼型最重要的两个性能要求是对前缘粗糙度不敏感以及良好的失速性能。要降低对前缘粗糙度的敏感，风机翼型与航空翼型相比往往需要减小翼型上半部分的厚度，为了能够产生和原翼型相同的升力，所以压力面的后部呈现S型实现后加载方式。

本实用新型的风力机叶片翼型族几何结构特点满足了应用于低风速风场的大型风力机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。同目前存在的厚翼型相比，在相同的出力条件下，可以明显改善叶片的结构性能，降低叶片面积从而降低极限工况下静载荷，从而能够加长叶片增加扫风面积，更多的捕获风能。

附图说明

图1是本实用新型风力机叶片翼型族结构示意图；

图2是第一翼型几何形状图；

图3是第二翼型几何形状图；

图4是第三翼型几何形状图；

图5是雷诺数=6000000时第一翼型的升阻力特性曲线图；

图6是雷诺数=6000000时第一翼型的极曲线图；

图7是雷诺数=6000000时第二翼型的升阻力特性曲线图；

图8是雷诺数=6000000时第二翼型的极曲线图；

图9是雷诺数=6000000时第三翼型的升阻力特性曲线图；

图10是雷诺数=6000000时第三翼型的极曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的一种风力机叶片翼型族进行详细说明。

设计原理：风机翼型最重要的两个性能要求是对前缘粗糙度不敏感以及良好的失速性能。要降低对前缘粗糙度的敏感，风机翼型与航空翼型相比往往需要减小翼型上半部分的厚度，为了能够产生和原翼型相同的升力，压力面的后部往往呈现S-型实现后加载方式。为了得到需要的最大升力系数以及良好的失速性能，对最大设计攻角以及失速攻角下的升力系数进行双边约束。此外对吸力面的分离点位置进行约束，在设计攻角下分离点应该在翼型后缘，并在失速时向前缘移动。为达到对前缘粗糙度不敏感，在达到最大升力系数前后对压力面转捩点的位置进行约束。为了增大升阻比，转捩在失速前应当越下游越好。但是，当达到最大升力系数时时转捩点应当靠近前缘。理论上，即使对于前缘光滑情况由于这么早的转捩吸力面的大部分区域也进入湍流状态，从而保证了在光滑前缘和粗糙前缘的最大升力系数和升力系数斜率差别最小。前缘粗糙的附加影响是不可避免的会增加翼型阻力系数。注意这种处理方法无法计量由于粗糙带的存在导致的流经翼面时边界层位移厚度增厚效应。结构和气动上的一些附加约束以及目标函数的相似性用于保证同一族各个翼型间几何和气动的兼容性。这些约束包括对最大相对厚度约束来达到要求的厚度。其他几何约束被用于约束翼型形状，包括最大厚度的位置，以及翼型特定部分型线的曲效。

如图1所示，本实用新型的风力机叶片翼型族，包括第一、二、三翼型10、11、12；

如图2、3和4所示，所述第一、二、三翼型10、11、12均包括前缘1、尾缘2、吸力面3和压力面4，以及前缘半径5、厚度、弯度和弦长。作为优选，所述各翼型的压力面后部均为S型后加载。所述各翼型厚度为吸力面3和压力面4之间的距离，各翼型弦长为各翼型前缘和后缘之间的弦线8的长度，各翼型弯度为中弧线9离开几何弦线的最大距离，其中，几何弦为前后缘的连线，中弧线9为吸力面和压力面的中点连线。其中，厚度和弯度具有最大厚度6和最大弯度7。所述第一、二、三翼型10、11、12的轮廓，是分别由第一、二、三翼型10、11、12的压力面3和吸力面4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。

所述第一、二、三翼型10、11、12的最大弯度7位置分别在距各翼型前缘67.6%、74.1%和64.4%弦长处。

所述第一、二、三翼型10、11、12包括相对厚度，所述相对厚度为各翼型最大厚度6与弦长的比值；所述第一、二、三翼型10、11、12的相对厚度不同：相对厚度分别为23%、27%和32%。

所述各翼型的最大厚度6的位置在距各翼型前缘30.2％、30.4％和24.5%弦长处。

所述各翼型的尾缘厚度为从前缘至尾缘弦长的0.6%、0.8%和1.0%。

以第一、二、三翼型在雷诺数（Re）=6000000时为例。如图5、7和9所示，最大升力系数在攻角为16度时达到，最大升力系数为1.99。在攻角范围从-2°到14°内升力系数随攻角变化具有很好的先行性。过了最大升力系数之后该厚度翼型具有良好的失速性能，升力系数的下降随攻角增加相对平缓。如图6、8和10所示，升力系数在达到1.9之前阻力系数没有剧烈的变化，翼型因此在接近最大升力系数时有大的升阻比。

通过CFD（计算流体动力学）模拟，本实用新型所公开的翼型族三个翼型在Re=6,000,000时，湍流条件下的最大升力系数分别为1.95、1.83和1.43。较现有水平的翼型升力系数提高5%以上。同等出力可以减少叶片翼型弦长5%，同等静载荷可以将叶片增长5%，从而扫风面积增加10%，可以多捕获10%的功率。

本实用新型具体应用途径很多，以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种风力机叶片翼型族，其特征在于，包括第一、二、三翼型；

所述第一、二、三翼型的轮廓是无量纲二维坐标平滑连接形成的封闭曲线，无量纲二维坐标分别是第一、二、三翼型的压力面和吸力面上各点的横坐标和纵坐标与该翼型的弦长的比值；

所述第一、二、三翼型包括相对厚度，所述相对厚度为各翼型最大厚度与弦长的比值；所述第一、二、三翼型的相对厚度分别为23%、27%和32%；

所述各翼型的最大厚度的位置在距各翼型前缘30.2％、30.4％和24.5%弦长处；

2.根据权利要求1所述的风力机叶片翼型族，其特征在于，所述第一、二、三翼型的最大弯度位置分别在距各翼型前缘67.6%、74.1%和64.4%弦长处。

3.根据权利要求1所述的风力机叶片翼型族，其特征在于，所述各翼型的压力面后部均为S型后加载方式。