一种水平轴风力机专用翼型性能评估方法

摘要

本发明公开了一种水平轴风力机专用翼型性能评估方法，首先获取翼型及其气动数据；分析翼型的几何结构参数，根据相对厚度的不同划分翼型类型为薄翼型和厚翼型系列；然后获得翼型的设计点性能参数项、非设计点性能参数项、失速特性参数项和稳定性参数项；继而与翼型性能的参考指标相比较，得出相对值，判断翼型各项特性的优良；最后根据翼型类型不同赋予翼型不同的权重系数，结合相对值大小，计算出翼型的综合性能评估值，判断风力机翼型的性能优良水平。本发明可以为风力叶片设计时不同部位选择不同翼型时提供判断的依据和方法，也可用于在新翼型的设计和优化中评估中间翼型的性能。

说明书

技术领域

本发明属于水平轴风力机翼型性能评估领域，具体涉及一种水平轴风力 机叶片不同部位的翼型的性能评估方法。

背景技术

在全球性的能源危机和环境恶化这一背景下，风电产业迅猛发展。风力 发电机本身也朝着运行环境多样化、单机容量变大的方向发展。从近海到沙 漠，从平原到丘陵都有已经建成运行的风电场，新建成的风电场中风力机的 叶片日趋大型化。这些趋势对风力机捕获风能的能力提出了更高要求。风力 机获取风能的核心部件是叶片，叶片性能的优劣直接影响风力机风能转换的 效率高低。从而叶片设计技术是风力机发电系统设计的核心技术之一。叶片 可以视为一系列翼型沿着叶片展向叠加而成，叶片的性能由构成其气动外形 的翼型的气动性能决定。叶片设计时，其不同部位由于结构需求和气动性能 需求的差异，需要选择不同类型、不同性能的翼型。准确、完整地评估待选 翼型的各项性能的优劣和综合性能的差异可以使得叶片设计时翼型选择的更 加准确、合理。另一方面，设计出适合应用于在不同环境下保持高的风能转 换率、低气动载荷、宽广的高性能工作范围且性能稳定的长叶片的新一代翼 型系列对提高叶片性能具有基础性的作用。而在翼型的优化和设计中，准确、 完整地评估中间翼型的气动性能，判断其是否达到设计目标是不可缺少的重 要环节。可知，无论是进行叶片设计翼型的选择还是在翼型优化再设计时中 间翼型的取舍，对翼型的性能进行完整、准确的评估都具有重要的意义。

目前，国内外风电行业上尚没有对风力机专用翼型性能的评估形成统一 标准和完整的参数体系。现有的评估方法一般只能对翼型一部分气动参数进 行定量比较：最大升阻比、最大升力系数、设计升力系数、阻力系数和力矩 系数等；而对翼型的非设计点性能、失速特性以及在表面粗糙情况变化和流 动雷诺数变化条件下性能的稳定性通常只根据翼型基本气动参数的曲线进行 简单定性的比较分析，没有给出能够直观表征这些翼型性能的参数，以进行 定量的比较分析。也就说，目前的风力机翼型性能评估体系中既没有完整的 表征翼型各方面性能特征的参数体系，也没有合理且完整地评估翼型性能的 方法；而这些恰是准确而完整地评估翼型性能的关键。

发明内容

鉴于以上现有技术的缺点和不足，本发明提出了一种水平轴风力机专用 翼型性能评估方法，可以对风力机专用翼型的气动性能进行有效、合理且完 整的评估。

本发明为实现上述技术目的所采取的技术方案为：

一种水平轴风力机专用翼型性能评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）获取翼型的几何坐标数据及其基本气动数据；

（2）利用翼型的几何坐标数分析得到翼型的几何参数项，根据所述几何 参数项中的最大相对厚度判断翼型类型，即判断其属于薄翼型还是厚翼型； 优选地，所述几何参数项包括最大相对厚度、最大相对厚度的弦向位置、最 大相对弯度、最大相对弯度的弦向位置、前缘半径、尾缘厚度、尾缘角、上 表面最大厚度值以及其弦向位置和下表面最大厚度值以及其弦向位置。

（3）分析翼型的基本气动数据，得到翼型的各气动性能参数项；

（4）根据翼型类型选择所述各气动性能参数项的相应参考值，并计算得 出所述各气动性能参数项相对于其参考值的相对值，据此判断翼型各项气动 特性的优劣；

（5）根据叶片不同部位对翼型性能要求的不同赋予翼型各气动性能参数 项以相应的权重系数，结合步骤（4）中得到的翼型各气动性能参数项的相对 值，计算出翼型的综合性能评估值，据此判断翼型的性能优良水平。

优选地，所述的步骤（1）中翼型的基本气动数据是风洞试验结果或者数 值模拟计算结果，包括自然转捩和固定转捩两种情况下（研究翼型性能受表 面粗糙状况不同的影响）不同流动雷诺数时的各项气动数据，所述各项气动 数据主要包括不同流动攻角下的翼型的升力系数、阻力系数、力矩系数、上 表面分离点位置、下表面分离点位置等数据。风洞试验中，自然转捩对应试 验段叶片表面光滑无污染的情况，固定转捩对应试验段叶片靠近前缘某一处 加粗糙带的情况（如在上表面5%弦长处贴zz型粗糙带，粗糙带的具体尺寸 取决于叶片试验段的尺寸）；数值模拟计算时，自然转捩意味着不限制流动 转捩和分离点位置，让其随着流动规律自然发生；固定转捩是通过限制翼型 上下表面转捩点的位置（如通常设置翼型固定转捩的位置为：上表面1%弦 长处，下表面10%弦长处）来达到实现的，以模拟表面粗糙程度不同所造成 影响。

优选地，所述的步骤（2）中，利用翼型的几何坐标数据可以通过多种翼 型分析软件得到翼型的几何参数项；根据翼型的最大相对厚度可以确定翼型 的类型和可适用于叶片上的位置。所述薄翼型是指最大相对厚度小于25%的 翼型，所述厚翼型是指相对厚度大于或等于25%的翼型。

进一步地，所述步骤（3）中，所述翼型的各气动性能参数项包括翼型的 设计点性能参数项、非设计点性能参数项、失速特性参数项和稳定性参数项。

所述翼型的设计点性能参数项，其所包括的各参数来自于风洞试验结果 或者数值计算结果，可以给出翼型在流动中获得的升力、阻力以及气动效率； 翼型的非设计点性能参数项，将翼型最大升阻比所对应攻角和最大升力系数 攻角之间翼型的气动性能参数化，来表征翼型从设计点到失速点间的性能特 征；翼型的失速特性参数项，根据翼型的升力特性曲线，以最大升力系数为 基础，用失速后某一攻角处的升力系数平均变化率和升力系数变化量的乘积 来表征翼型的失速后升力曲线的平缓特性；翼型的气动性能稳定性参数项： 包括翼型的气动性能随转捩方式不同的稳定性（此为表征翼型的表面粗糙敏 感性）和随流动雷诺数Re的不同的稳定性。

进一步地，所述设计点性能参数项包括：最大升阻比、设计攻角、设计 升力系数、设计阻力系数、设计力矩系数；所述非设计点性能参数项包括： 最大升力系数和最大升力系数攻角、设计攻角到失速攻角的间隔Δα、设计攻 角到失速攻角间升力系数的变化率和升阻比的变化率；所述失速特性参数项 包括翼型失速特性参数M_stall；所述稳定性参数项包括：翼型性能对表面粗糙 影响的稳定性参数p_sf，对流动雷诺数变化影响的稳定性参数p_sRe。

进一步地，设计攻角到失速攻角的间隔Δα、设计攻角到失速攻角间升力 系数的变化率CRcl和升阻比的变化率CRld可分别表示为：

Δα＝α_stall-α_design，$\mathrm{CRcl}=\frac{{\mathrm{cl}}_{\max }-{\mathrm{cl}}_{\mathrm{design}}}{\mathrm{\Delta \alpha }},$$\mathrm{CRld}=\frac{|l/d_{\mathrm{stall}}-l/d_{\max }|}{\mathrm{\Delta \alpha }},$

其中α_stall（失速攻角）表示翼型升力系数初次达到最大时的攻角，cl_max即为 升力系数首次达到最大的值，l/d_stall即为相应的升阻比；α_design表示设计攻角，即 升阻比达到最大时的攻角，cl_design即为最大升阻比对应攻角下的升力系数（设计 升力系数），l/d_max即为最大升阻比。

上述翼型失速特性参数M_stall为翼型失速后十度攻角范围内某一攻角处的 升力系数相对于最大升力系数处的平均变化率和升力系数变化量的乘积的最 大值：

$M_{\mathrm{stall}}=\max \{\frac{{(\mathrm{cl}-{\mathrm{cl}}_{\max })}^2}{\alpha -{\alpha }_{\mathrm{stall}}},0<\alpha -{\alpha }_{\mathrm{stall}}\le 10\mathrm{and\alpha }\in Z\}$

其中α，cl分别为失速后某一攻角和该攻角下的升力系数；cl_max表示最大 升力系数。

翼型性能对表面粗糙影响的稳定性通过稳定性参数p_sf来量化：

$p_{\mathrm{sf}}=\frac{|p_{\mathrm{nt}}-p_{\mathrm{ft}}|}{p_{\mathrm{nt}}}\times 100\%$

其中p和p_sf分别表示翼型的某一气动性能参数项（翼型设计点性能参数 项、非设计点性能参数项或失速特性参数项）及其对表面粗糙影响的稳定性 参数。p_nt为翼型所在光滑叶片表面的实验值或自然转捩的数值计算结果，p_ft为翼型所在粗糙叶片表面的实验值或设置固定转捩的数值计算结果。

翼型性能对流动雷诺数变化时的稳定性通过稳定性参数p_sRe来量化：

$p_{\mathrm{sRe}}=\{\max (\frac{|q_{\mathrm{Re}}-q_{\mathrm{Redesign}}|}{q_{\mathrm{Redesign}}}\times 100\%),\mathrm{Re}=\frac{1}{2}{\mathrm{Re}}_{\mathrm{design}}\mathrm{orRe}=2{\mathrm{Re}}_{\mathrm{design}}\}$

该式表示当雷诺数分别为设计雷诺数的一半和二倍时，分别计算翼型性 能相对变化率，翼型性能对流动雷诺数变化影响的稳定性参数p_sRe取二者中 的较大值；其中q_Re为翼型在一定雷诺数下某性能参数，q_Re design为对应设计雷 诺数下的性能参数。

所述的步骤（4）中，评估翼型所需的所述各气动性能参数项的相应参考 值来自：如果对翼型的性能评估适用于叶片设计选择翼型的过程中，则从已 有的风力机专用翼型数据库中，选择相同相对厚度或者相同翼型类型的典型 翼型的气动性能参数作为参考值；或，如果对翼型的性能评估适用于翼型的 优化和设计过程中，则以给定的目标翼型的气动性能参数作为参考值，该目 标翼型的气动性能参数的给定取决于待优化设计翼型的气动性能和拟设计的 方向。进一步地，得到翼型的所述各气动性能参数项的相应参考值后，将待 评估翼型的各气动性能参数项与相应参考值比较得到各气动性能参数项的相 对值，形式如下：其中p代表翼型的某一气动性能参数项，p_r代表 相应的参考值，p₀代表相对值。p₀的大小反应了待评估翼型对参考翼型气动 性能的偏离，从而可以反应翼型各项气动性能的优良水平。翼型的一部分性 能参数当p₀越大该项性能越优良，另一部分性能参数则反之。

所述的步骤（5）中不同类型的翼型所匹配的权重系数是依据叶片不同部 位对翼型气动性能要求的差异来决定的,薄翼型和厚翼型有不同的权重系数。 将翼型的各参数项的权重系数A_i设定为第一级权重系数，满足即各 参数项的权重系数A_i之和为1；将各参数项中所包括的各参数的权重系数A_ij设定为第二级权重系数，满足即各参数项中所包括的各参数的权重 系数A_ij之和为1。

然后结合已经得到的待评估翼型的各气动性能参数项的相对值，可以计 算翼型的综合性能评估参数P：其中p_0ij为各参数项中某 一性能参数的相对值，与权重系数相对应；q_ij与该某一性能参数的期望方向 有关，如果参数越大性能越优良取值为1，反之取值为-1。

进一步地，所述的步骤（5）中，对风力机专用翼型性能优良的评估还 包括：

a)将翼型性能优良程度分为“优异”、“良好”、“合格”、“缺陷”、 “恶劣”等五个等级；

b)通过各气动性能参数项的相对值p₀的大小，判断翼型各项气动性能参 数与参考值的偏离，根据翼型各项气动性能的特征设定各自的允许范围，当 翼型具有一项或两项气动性能参数项的相对值超出所述允许范围时，判定翼 型为“缺陷”，即其性能某方面存在缺陷；当翼型有至少三项气动性能参数 项超出所述允许范围时，判定翼型为“恶劣”，即翼型性能存在严重缺陷； 如果翼型各气动性能参数项的相对值均在所述允许范围以内时，则初步判定 翼型为“合格”；

c)当初步判定翼型为“合格”后，计算综合性能评估参数P，得出P值； 根据P值大小划分翼型属于“合格”、“良好”或“优异”。

附图说明

图1是风力机专用翼型性能参数体系图；

图2是风力机专用翼型性能评估流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举 实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明包含两个相联系的方面：风力机专用翼型性能参数体系和性能评 估评估方法。下面结合附图做出进一步的说明。

如图1所示，水平轴风力机专用翼型性能评价参数体系包括：翼型几何 参数项，翼型的设计点性能参数项，翼型的非设计点性能参数项，翼型的失 速特性参数项，翼型的气动性能稳定性参数项，翼型的比较权重系数项。

其中，翼型几何参数项包括最大相对厚度、最大相对厚度的弦向位置、 最大相对弯度、最大相对弯度的弦向位置、前缘半径、尾缘厚度、尾缘角、 上表面最大厚度值以及其弦向位置和下表面最大厚度值以及其弦向位置。

具体地，翼型几何参数项中各几何参数的符号和定义如下表一所示。

所述设计点性能参数项包括：最大升阻比、设计攻角、设计升力系数、 设计阻力系数、设计力矩系数。所述非设计点性能参数项包括：最大升力系 数和最大升力系数攻角、设计攻角到失速攻角的间隔Δα、设计攻角到失速攻 角间升力系数的变化率和升阻比的变化率。所述失速特性参数项包括翼型失 速特性参数M_stall。所述稳定性参数项包括：翼型性能对表面粗糙影响的稳定 性参数p_sf，对流动雷诺数变化影响的稳定性参数p_sRe。

具体地，翼型的设计点性能参数项、非设计点性能参数项和失速特性参 数项所包含的各项参数的符号及其定义如下表二所示。

表一翼型的几何参数项

  翼型的几何参数表   符号   定义   相对厚度   T   翼型的最大厚度与弦长的比值   最大相对厚度位置   Xt   翼型最大相对厚度处所在弦向的相对位置   相对弯度   Cm   翼型的最大弯度与弦长的比值   最大相对弯度位置   Xcm   翼型最大弯度处所在的弦向的相对位置   前缘半径   Rle   翼型前缘内切圆的半径大小与弦长比值   尾缘厚度   Ttr   翼型尾缘处上下表面间距与弦长的比值   尾缘角   θ   翼型尾缘处上下表面切线的夹角大小   上表面最大厚度   Yup   翼型上表面点离弦线最远距离与弦长的比值   上表面最大厚度位置   Xup   翼型上表面最大厚度处所在弦向相对位置   下表面最大厚度   Ybel   翼型下表面点离弦线最远距离与弦长的比值   下表面对大厚度位置   Xbel   翼型下表面最大厚度处所在弦向相对位置

表二翼型的设计点性能参数项、非设计点性能参数项和失速特性参数项

稳定性参数项包括：翼型性能对表面粗糙影响的稳定性参数p_sf，对流动 雷诺数变化影响的稳定性参数p_sRe。翼型性能对表面粗糙影响的稳定性的量 化是通过翼型性能参数受表面粗糙影响的相对变化率来给定参数p_sf；翼型性 能对流动雷诺数变化影响的稳定性的量化是通过当雷诺数为设计雷诺数的一 半或二倍时，翼型性能相对变化率的较大值给定参数p_sRe。

如图2所示，本发明的风力机专用翼型族的性能评估方法包括以下步骤： （1）获取翼型的几何坐标数据及其基本气动数据；（2）利用翼型的几何坐 标数分析得到翼型的几何参数项，根据所述几何参数项中的最大相对厚度判 断翼型类型，即判断其属于薄翼型还是厚翼型；（3）分析翼型的基本气动数 据，得到翼型的各气动性能参数项；（4）根据翼型类型选择所述各气动性能 参数项的相应参考值，并计算得出所述各气动性能参数项相对于其参考值的 相对值，据此判断翼型各项气动特性的优劣；（5）根据叶片不同部位对翼型 性能要求的不同赋予翼型各气动性能参数项以相应的权重系数，结合步骤（4） 中得到的翼型各气动性能参数项的相对值，计算出翼型的综合性能评估值， 据此判断翼型的性能优良水平。

上述步骤（4）中，评估翼型所需的气动性能参数的参考值来自下述其中 一个方面：如果对翼型的评估适用于叶片设计选择翼型的过程中，则选择相 同相对厚度或者应用于叶片相同位置已经设计成型的风力机专用翼型系列 中，性能优良并取得广泛应用的典型翼型（如荷兰的DU翼型系列）的气动 参数为参考值；如果对翼型的评估适应于翼型的优化和设计过程中，则以给 定的目标翼型的气动性能为参考值，该目标翼型气动数据的给定取决于待优 化设计翼型的气动性能和拟设计的方向。得到完整的翼型性能参数的参考值 后，将待评估翼型的各性能参数项与参考值比较得到各项性能的相对值p₀， 形式如下：其中p代表翼型的某一项气动性能参数，p_r代表相应的 参考值，p₀代表相对值。p₀的大小反应了待评估翼型对参考翼型气动性能的 偏离，从而可以反应翼型各项气动性能的优良水平。翼型的一部分性能参数 当p₀越大该项性能越优良，另一部分性能参数则反之。

翼型各气动性能参数项相对值的符号表示和各项性能参数的期望方向、 翼型性能参数相对值的可接受范围见表三中所示。需要说明的是，表格中期 望方向一列，如果我们希望翼型某一项的性能参数比参考翼型的性能参数大， 即p₀>1，则记为“+”,反之则记为“-，“/”表示不作约束，或者说性能 参数的变化有其他条件决定；“可接受范围”一列表示翼型性能参数的相对 值的可以接受的变化范围。在稳定性参数中，如果出现参考值p_r=0，当且仅 当待评估参数值p也为0时，相对值定义为1，其他均定义为∞。

上述步骤（5）中，根据叶片不同位置对翼型性能要求的差异匹配不同厚度 翼型的权重系数。根据叶片设计时不同部位采用的翼型的相对厚度范围，把翼 型相对厚度在25%以下的称为风力机薄翼型系列（典型的相对厚度为：15%、18%、 21%）；大于该相对厚度的属于风力机厚翼型系列（典型的相对厚度为：25%、 30%、35%、40%；45%以上为大厚度翼型）。在长叶片设计中薄翼型适用于叶片 外侧，厚翼型适用于叶片中部和内侧。叶片外侧、中部以及内侧的翼型有各自 的权重系数。不同类型翼型的第一级权重系数A_i分配如下表四所示。

不同类型的翼型各项性能参数项中，第二级权重系数A_ij的分配如表五所 示（稳定性参数的子项所属的第二级权重系数按照所含参数的数目平权分配， 即此时的A_ij=1/11）。

然后结合已经得到的待评估翼型的相对值，可以计算翼型的综合性能评 估参数P：其中p_0ij为某一性能参数的相对值，与权重系 数相对应。q_ij与该项性能参数的期望方向有关，期望方向为“+”取值为1， 期望方向为“-”取值为-1.

表三翼型各项性能参数相对值的期望方向和可接受范围

  相对值   期望方向   可接受范围   相对值   期望方向   可接受范围   p₀  +/-   ()   p₀  +/-   ()   l/d_max0  +   α_stall,sf0  -   (0,1.25)   α_design0  /   /   Δα_sf0  -   (0,1.25)   cl_design0  +   CRcl_sf0  -   (0,1.25)   cd_design0  -   (0,1.25)   CRld_sf0  -   (0,1.25)   cm_design0  -   (0,1.25)   M_stallsf0  -   (0,1.25)   cl_max0  +   l/d_max，sRe0  -   (0,1.25)   α_stall0  /   (0,1.25)   α_design,sRe0  -   (0,1.25)   Δα₀  +   cl_{design，sRe0}  -   (0,1.25)   CRcl₀  -   (0,1.25)   cd_design,sRe0  -   (0,1.25)   CRld₀  -   (0,1.25)   cm_design,sRe0  -   (0,1.25)   M_stall0  -   (0,1.25)   cl_max，sRe0  -   (0,1.25)   l/d_max，sf0  -   (0,1.25)   α_stall,sRe0  -   (0,1.25)   α_design,sf0  -   (0,1.25)   Δα_sRe0  -   (0,1.25)   cl_design，sf0  -   (0,1.25)   CRcl_sRe0  -   (0,1.25)   cd_design，sf0  -   (0,1.25)   CRld_sRe0  -   (0,1.25)   cm_design,sf0  -   (0,1.25)   M_stall，sRe0  -   (0,1.25)   cl_max,sf0  -   (0,1.25)

表四翼型权重系数A_i分配表

表五第二级权重系数A_ij分配表

对风力机专用翼型性能优良的判断还包含以下具体内容：

a)将翼型性能优良程度分为“优异”、“良好”、“合格”、“缺陷”、 “恶劣”等五个等级；

b)通过各气动性能参数项的相对值p₀的大小，判断翼型各气动性能参数 项与参考值的偏离，根据翼型各项气动性能的特征设定各自的允许范围，当 翼型具有一项或两项气动性能参数项的相对值超出所述允许范围时，判定翼 型为“缺陷”，即其性能某方面存在缺陷；当翼型有至少三项气动性能参数 项超出所述允许范围时，判定翼型为“恶劣”，即翼型性能存在严重缺陷； 如果翼型各气动性能参数项的相对值均在所述允许范围以内时，则初步判定 翼型为“合格”；

c)当初步判定翼型为“合格”后，计算综合性能评估参数P，得出P值； 根据P值大小划分翼型属于“合格”、“良好”或“优异”。

翼型性能的优劣评定等级如表六所示。

表六翼型性能的优劣评定等级

  等级   评价   性能状况说明   1   优异   各项气动性能参数满足“+”:p₀∈(1.2,+∞);“-”:p₀∈(0,0.8)   2   良好   各项气动性能参数满足“+”：p₀∈(1,1.2);“-”:p₀∈(0.8,1)   3   合格   各项气动性能参数满足“+”:p₀∈(0.8,1);“-”：p₀∈(1,1.25)   4   缺陷   有一到两项翼型气动性能参数超出允许范围   5   恶劣   有三项以上翼型气动性能参数超出允许范围

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本 发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在 本发明的范围之内。