一种风力发电机组低风速翼型族

摘要

本发明的目的在于提供一种风力机叶片低风速翼型族，该翼型族主要用于年平均风速在5m/s～7.5m/s的低风速区域。该翼型族由第一至第六共6个不同最大相对厚度的翼型组成，从叶片尖部到叶片根部，第一翼型至第六翼型的最大相对厚度分别为15％～35％；各翼型均具有S型的压力面；各翼型均为钝尾缘；各翼型的设计雷诺数为1×10

说明书

技术领域

本发明属于气动翼型设计技术领域，具体涉及一种风力发电机组低风速翼型 族。

背景技术

风电机组的工作原理是通过叶片将风能转化为机械能，再通过轮毂、轴和齿 轮箱等连接装置把机械能传递给风力发电机，最后由发电机将机械能转化成电能 输向电网供用户使用，因此叶片是风电机组的核心部件之一。而机组叶片的设计 过程是将翼型按照一定的扭角、弦长和厚度分布沿叶片展向积叠而成，所以翼型 的气动性能好坏对风电机组的捕风能力有着重要的影响，直接决定了风电机组的 风能利用效率。在过去的几十年里，风力发电机组容量小、风能利用效率低，叶 片多选用航空翼型，例如NACA44XX、NACA23XXX、NACA63-XXX和NASA  LS(1)系列翼型。由于制造误差、沙石和灰尘摩擦、昆虫残骸的附着、空气和雨 水的腐蚀等因素导致叶片前缘表面粗糙度的增加，传统翼型在大攻角下随着前缘 粗糙度的增加翼型前缘处边界层提前由层流转捩成湍流，翼型上边面边界层过早 发生分离，导致叶片最大升力系数严重下降。前缘粗糙度也会导致翼型阻力的大 幅度增加，升阻比曲线斜率降低最大升阻比下降，进一步增加了机组的能量损失。 对失速型机组来说，由于前缘粗糙度的增加机组年能量损失高达20％～30％；变 桨距型风电机组由于其攻角可以调节，在大风速下由前缘粗糙度造成的能量损失 有所下降，年能量损失在10％～15％左右；变速型风电机组受前缘粗糙度的影响 最小，年能量损失在5％～10％左右。随着风电机组容量的不断增大传统翼型已经 很难满足现代风力机的设计要求，为了减少能量损失，美国、荷兰、丹麦、瑞典 等国家早在20世纪八十年代就开始进行风电机组专用翼型族的开发。目前国外 的叶片普遍采用了风力机专用新翼型，不仅提高了风电机组的效率，而且降低了 叶片加工成本、减小了噪音，翼型良好的失速特性更加有利于风电机组的控制。 国内的新翼型设计研究起步较晚，缺乏新翼型的设计数据和气动数据，严重的影 响了国内叶片的设计水平。

从1984年开始到1995年，美国可再生能源实验室(NREL)针对不同容量 的风电机组设计了9个S翼型族共25个翼型，除了早期为叶根设计的厚翼型 (S804，S807，S808，S811)外，所有的翼型都表现出对前缘粗糙度的不敏感性， 在接近最大升力系数时，由层流到湍流的转捩点十分靠近翼型前缘。在叶尖处的 翼型上表面层流长度占到了50％的翼型面积，下表面甚至超过了60％。该翼型的 俯仰力矩系数和C_l，max成比例，因此S翼型的俯仰力矩系数较之传统翼型较小。 该翼型还有良好的失速特性，随着攻角的增加其失速平缓，减小了风力机的功率 和载荷波动。

上世纪九十年代初，荷兰Delef大学风能研究所基于XFOIL的改进版RFOIL 软件先后开发了从15％到40％相对厚度的DU翼型族，一共包括15个翼型。该 翼型的设计雷诺数在2×10⁶～4×10⁶之间，为了保证翼型对前缘粗糙度的不敏感 性适当的降低了升力系数。实验证明该翼型具有良好的前缘粗糙度不敏感性和低 噪音特点。

20世纪90年代中期，丹麦国家实验室Risφ先后开发了Risφ-A1、Risφ-P 和Risφ-B风力机专用新翼型族，翼型的设计策略是：在叶片设计攻角下具有高 的升阻比、良好的前缘粗糙度不敏感性、好的几何兼容性。

瑞典航空研究院从20世纪90年代开始陆续开发了FFA-W1、FFA-W2、 FFA-W3等翼型族。不同的翼型族适用于不同容量的风电机组，FFA-W3适用于 MW级风电机组，该翼型族气动特性良好，有着较高的升阻比C_l/C_d和较大的最 大升力系数C_l，max，良好的前缘粗糙度不敏感性和低噪音等特点，世界最大的叶片 生产商丹麦LM公司生产的大型风电机组上广泛的采用了该翼型族。

中国是风能资源丰富的国家，根据中国气象科学研究院估算的数据，我国在 10m低空范围的可开发利用的风力资源约为10亿kW，其中陆上约为2.53亿kW， 如果扩展到50-60m以上的高度，风力资源将至少再扩大一倍。而且国内风力资 源主要集中在三北地区和东部沿海地带，给大规模的开发和利用提供了良好的条 件。中国近几十年风电产业发展迅速，2006～2008年连续3年内总装机容量增长 率都保持在100％以上，如此迅速的发展也带来了一些技术上亟待解决的问题， 中国的风资源相对欧洲和美国地区质量相对较差，欧洲风资源丰富区机型如 Vestas2.0MW、FLANDE1.5MW、REPOWER1.5MW、GE1.5MW为主流，机组额 定风速在12-15m/s之间，特点是适合安装在3—4类风资源区，如安装在2—3 类风区，年发电量等效满负荷小时数将低于1800小时。中国大部分地区年平均 风速较低，以东北某地区为例，1～11m/s风速的分布几率为0.95，1～9m/s分布几 率为0.92。而国内的风电场中广泛安装着国外进口的机组，国内的机组叶片也是 大量的采用国外的技术，这些风力机在中国都表现出风能利用系数低于设计值， 年发电量低于国外测试水平，所以有必要开发出一套适用于中国低风速区的低风 速风力机专用翼型族。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风力机叶片低风速翼型族，该翼型族主要用于年 平均风速在5m/s～7.5m/s的低风速区域。

本发明采用的技术方案为：

该翼型族由第一至第六共6个不同最大相对厚度的翼型组成，所述的相对厚 度是各翼型上下两个面之间的最大距离与弦长的比值，所述弦长是翼型前缘到尾 缘的弦线的长度；

从叶片尖部到叶片根部，第一翼型至第六翼型的最大相对厚度分别为15％、 18％、21％、24％、30％、35％；

各翼型均具有S型的压力面；

各翼型均为钝尾缘；

各翼型相比同类NACA翼型具有小的前缘半径；

各翼型的设计雷诺数为1×10⁶～4×10⁶；

各翼型的设计攻角为6°或7°。

第一翼型和第二翼型两个薄翼型用于叶片尖部，第三翼型和第四翼型过渡翼 型用于叶片的中部，第五翼型和第六翼型两个厚翼型用于叶片根部。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的风力发电机组低风速专用翼型族主要用于中国大部分年平均 风速在5m/s～7.5m/s的低风速区域。

(2)本发明的风力发电机组低风速专用翼型族有着高的最大升力系数 C_l，max，在低风速区具有高的升阻比C_l/C_d，高风速区升阻比增加缓慢利于机组 进行功率控制。

(3)本发明的风力发电机组低风速专用翼型族实现了最大升力系数C_l，max对 前缘粗糙的不敏感性。

(4)本发明的风力发电机组低风速专用翼型族的失速特性平缓，使得风力 发电机组在额定风速以上平稳有效的输出功率；

(5)本发明的风力发电机组低风速专用翼型族各翼型之间几何兼容性好， 这样加工出来的叶片表面各翼型连接处能光滑过度、气动性能好，机组的功率和 载荷波动小。

附图说明

图1为各翼型在风力发电机组叶片展向使用位置示意图。

图2为本发明的风力发电组专用翼型族的组合图。

图3为本发明的风力发电机组专用翼型族中第一翼型的轮廓图。

图4为本发明的风力发电机组专用翼型族中第二翼型的轮廓图。

图5为本发明的风力发电机组专用翼型族中第三翼型的轮廓图。

图6为本发明的风力发电机组专用翼型族中第四翼型的轮廓图。

图7为本发明的风力发电机组专用翼型族中第五翼型的轮廓图。

图8为本发明的风力发电机组专用翼型族中第六翼型的轮廓图。

图9为本发明的风力发电机组专用翼型族的设计流程图。

图10(a)～图10(f)分别为本发明的风力发电机组专用翼型族第一翼型的 气动特性XFOIL计算图中实线：自由转捩，虚线：固定转捩，alpha单位：度。

图11(a)～图11(f)分别为本发明的风力发电机组专用翼型族第四翼型的 气动特性XFOIL计算图中实线：自由转捩，虚线：固定转捩，alpha单位：度。

具体实施方式

本发明提供了一种风力机叶片低风速翼型族，下面结合附图和具体实施方式 对本发明做进一步说明。

本发明的风力发电机组专用翼型族是基于XFOIL软件进行新翼型的几何设 计和气动计算的。XFOIL最初是由美国麻省理工大学的Mark Drela博士在1986 编写的，计算模型采用了粘性和无粘性相结合的方法，主要是用于亚音速翼型的 设计和计算。由于XFOIL的计算速度快，鲁棒性能好，非常适合处理风力机这 种低雷诺数流动问题，计算结果的精确性满足设计要求，所以在风力机翼型设计 领域的得到了广泛的应用。

本发明的风力发电机组专用翼型族采用正设计和反设计相结合的混合设计 方法。正设计方法：通过修改翼型的几何外形参数，如修改翼型厚度、弯度、前 缘半径、尾缘夹角、尾缘厚度等翼型外形参数来改变翼型的气动特性。反设计方 法：通过修改对应攻角下翼型表面压力C_P曲线，压力曲线直接影响翼型表面的 流体流动情况。具体设计流程如图9所示。

初始翼型的形状应该是任意形状，其几何外形可以用B样条曲线来描述，设 计控制参数点的多少由开发者自己根据设计目标选取，不应过多造成计算量的大 幅度增加，设计过程要考虑计算成本。翼型的设计目标主要包括气动目标、结构 目标、非设计工况目标、噪音、叶片成本等。翼型的设计过程是个不断重复循环 的多目标优化问题，这就要求根据设计目标和设计约束不断的修改翼型的几何参 数和气动参数。有些设计目标是相互冲突的不可能同时达到设计要求，这就需要 设置这些目标的权重系数。设计总目标函数为：

$P\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\alpha }_i{p}_i\left(x\right)---\left(1\right)$

式中：α_i——各目标的权重因子；

p_i(x)——各目标。

叶片沿不同展向位置上对翼型的结构和气动设计有着不同的要求。由于叶片 的受力载荷集中于叶片根部，为了保证机组在大风速下可以安全的运行，所以叶 根部位的翼型设计主要考虑了结构和载荷特性。根部翼型设计时适当的设计了较 高的升阻比C_l/C_d，以便机组能在启动风速下能产生较大的转矩，保证机组能顺 利的启动。由于叶片90％以上的能量获取都集中在中部以上，所以中部和尖部的 翼型则侧重于气动特性，不过叶尖处的翼型由于尖速比很大，如果升力系数C_l太 高的话易产生大的噪音污染，所以设计的时候适当的降低了最大升力系数C_l，max。 不同厚度翼型的设计权重系数设置可以表1。

表1 不同厚度翼型的设计要求(*的数量越多，表行权重越高)

本发明要求在设计攻角下有着较高的最大升阻比C_l/C_d和较高的C_l，max，但 是如果设计值设置太高的话可能影响翼型的结构设计和对前缘粗糙度的不敏感 性，所以本翼型的设计升力系数范围取在1.5≤C_l≤2，升阻比范围在150～200之 间。设计攻角为6±1°，设计雷诺数的选取根据公式：

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{WC}}{\upsilon }=\frac{V_1(1-a)C}{\upsilon \sin \phi }---\left(2\right)$

式中：Re——雷诺数；

W——相对风速，m/s；

υ——运动粘度；

C——各截面弦长，m；

a——轴向诱导因子；

φ——来流角；

在设计攻角下为了得到较大的升阻比C_l/C_d，要求翼型吸力面上的转捩点 尽量远离翼型前缘从而获得较低的翼型阻力C_d。当升力系数达到最大升力系数 C_l，max时转捩点应尽可能的靠近翼型前缘，这样可以保证当翼型前缘由于沙石、 昆虫残骸、雨水腐蚀等原因变得粗糙时，最大升力系数C_l，max不会大量下降，适 当小的前缘半径和薄的吸力面厚度都可以保证翼型前缘粗糙的不敏感性。翼型的 俯仰力矩C_m也是设计中要考虑的重要参数，翼型设计时C_m因尽可能的小，小的 俯仰力矩系数可以减小叶片的根部受力，过大的C_m会导致叶片的安装角发生变 化从而影响机组的气动效率，设计时还需要C_m曲线随攻角的增加变化平缓，保 证机组变桨距时没有大的载荷波动。考虑到叶片加工难度及对环境的噪音污染， 叶片中部和根部的翼型都采用了钝后缘。另外，为保证翼型之间良好的几何兼容 性，要求各翼型之间能尽可能的相似，这样加工出来的叶片表面各翼型连接处能 光滑过度、气动性能好，机组的功率和载荷波动小。

本发明提供的翼型族共6个翼型，最大相对厚度范围从15％～35％，2个厚翼 型30％和35％是为叶片根部设计的，15％和18％两个翼型是为叶尖设计的，21％ 和24％两个翼型处于叶片中部过渡区。各翼型沿叶片展向分布如图1所示。新翼 型的主要特征是小的吸力面厚度和S形状的压力面，这样可以保证翼型有较大的 最大升力系数C_l，max和对前缘粗糙度的不敏感性，叶片中部和根部翼型采用了钝后 缘设计，利于加工和减少噪音。

本发明的翼型族是为中国大部分低风速地区设计的，为了保证能在低风速下 有着高的最大升阻比C_l/C_d,max，设计时特意优化了低风速区对应雷诺数下的翼型 表面压力曲线，在高风速区最大升阻比相对变化平缓，这样的设计有利于机组在 额定风速以上的功率控制。叶片中部和根部翼型采用了钝后缘设计，不仅能提高 翼型的升力系数，也利于叶片的加工和减少机组噪音等优点。表2给出了该翼型 族的集合和气动设计参数。

表2 本发明翼型族的几何和气动设计参数

该翼型族各翼型的组合图如图2所示，各个翼型的外形图如图3～8所示。 各翼型外形的无量纲数据如下表，其中，x/c值表示翼型曲线上某点在弦线方向 上相对于前缘的位置，y/c值表示从弦线到翼型曲线上某点的高度。：

第一翼型的无量纲二位坐标为：

第二翼型的无量纲二位坐标为：

第三翼型的无量纲二位坐标为：

第四翼型的无量纲二位坐标为：

第五翼型的无量纲二位坐标为：

第六翼型的无量纲二位坐标为：

图9为本发明的风力发电机组专用翼型族的设计流程图，图10和图11分别 显示了第一翼型和第四翼型分别在雷诺数3×10⁶和4×10⁶下的气动特性曲线(依 次是：升力C_l随攻角曲线；阻力C_d随攻角变化曲线；升力和阻力特性曲线；俯 仰力矩C_m随攻角变化曲线；转捩点Str位置曲线，升阻比C_l/C_d随雷诺数变化 曲线)。