一种风力发电机组低风速翼型族的制作方法
【专利摘要】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1×106～4×106；各翼型的设计攻角为6°或7°。该翼型族主要针对中国内陆大部分风功率密度等级在2～4，50米高度处年平均风速在6.4～7.5m/s的地区，能够提高叶片在低风速区域的风能利用率。
【专利说明】一种风力发电机组低风速翼型族
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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NASALS(I)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。
[0003] 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Cumax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。
[0004] 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2XIO6?4XIO6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。
[0005] 20世纪90年代中期，丹麦国家实验室RisΦ先后开发了RisΦ-Α1、RisΦ-Ρ和 Risct-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。
[0006] 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CVCd和较大的最大升力系数Cumax，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。
[0007] 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IOm 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.OMW、FLANDE1. 5MW、REP0WER1. 5MW、GEL5MW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?llm/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】
[0008] 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。
[0009] 本发明采用的技术方案为：
[0010] 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；
[0011] 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% ；
[0012] 各翼型均具有S型的压力面；
[0013] 各翼型均为钝尾缘；
[0014] 各翼型相比同类NACA翼型具有小的前缘半径；
[0015] 各翼型的设计雷诺数为IXIO6?4XIO6;
[0016] 各翼型的设计攻角为6°或7°。
[0017] 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。
[0018] 本发明的有益效果为：
[0019] (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。
[0020] (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Crmax，在低 风速区具有高的升阻比C1Ztd，高风速区升阻比增加缓慢利于机组进行功率控制。
[0021] (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Cumax对前缘 粗糙的不敏感性。
[0022] (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；
[0023] (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。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1为各翼型在风力发电机组叶片展向使用位置示意图。
[0025] 图2为本发明的风力发电组专用翼型族的组合图。
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 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。
[0030] 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。
[0031] 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。
[0032] 图9为本发明的风力发电机组专用翼型族的设计流程图。
[0033] 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。
[0034] 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】
[0035] 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。
[0036] 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MarkDrela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。
[0037] 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Cp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。
[0038] 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：
【权利要求】
1. 一种风力发电机组低风速翼型族，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，其特征在于， 6个翼型的最大相对厚度为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1X106?4X106; 各翼型的设计攻角为6°或7°。
2. 根据权利要求1所述的一种风力发电机组低风速翼型族，其特征在于，所述第一翼 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两个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。
3. 根据权利要求2所述的一种风力发电机组低风速翼型族，其特征在于，所述第一翼 型至第六翼型的最大相对厚度分别为15%、18%、21%、24 %、30 %、35 %。
4. 根据权利要求2所述的一种风力发电机组低风速翼型族，其特征在于，所述第一翼 型的无量纲二位坐标为：
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。
5.根据权利要求2所述的一种风力发电机组低风速翼型族，其特征在于，所述第二翼 型的无量纲二位坐标为：
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。
6.根据权利要求2所述的一种风力发电机组低风速翼型族，其特征在于，所述第三翼 型的无量纲二位坐标为：
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。
7.根据权利要求2所述的一种风力发电机组低风速翼型族，其特征在于，所述第四翼 型的无量纲二位坐标为：
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。
8.根据权利要求2所述的一种风力发电机组低风速翼型族，其特征在于，所述第五翼 型的无量纲二位坐标为：
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。
9.根据权利要求2所述的一种风力发电机组低风速翼型族，其特征在于，所述第六翼 型的无量纲二位坐标为：
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。
10.根据权利要求1所述的一种风力发电机组低风速翼型族，其特征在于，所述翼型族 适用于年平均风速在5m/s?7. 5m/s的低风速区域。
【文档编号】F03D11/00GK104405596SQ201410770683
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年12月12日 优先权日:2014年12月12日
【发明者】龙凯, 谢园奇, 张惠 申请人:华北电力大学