[發(fā)明專利]一族大厚度鈍尾緣風力機翼型及其設計方法

有效

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• 申請日: 2013-06-14
• 公開（公告）號: CN103277245A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發(fā)明（設計）人: 楊科;李星星;張磊;白井艷;徐建中
• 申請（專利權）人: 中國科學院工程熱物理研究所
• 主分類號: F03D1/06
• 分類號: F03D1/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明屬于水平軸風力機翼型設計領域，具體涉及適用于大型水平軸風力機葉片根部的一族厚翼型輪廓及其設計方法。

背景技術

研發(fā)出性能優(yōu)異的風力機專用翼型族是提高水平軸風力機葉片能量捕獲率的關鍵，而風力機翼型的研發(fā)目標與風力機的發(fā)展需求密切相關。近年來，中國風電產業(yè)迅猛發(fā)展，各種規(guī)模的風場在不同地區(qū)建立，新裝風力機的容量不斷增加，葉片尺寸顯著變長。

首先，不同的風資源環(huán)境對風力機葉片要求不同。中國南方廣大地區(qū)風資源困乏，北方地區(qū)和沿海地區(qū)屬于風資源豐富地區(qū)但卻存在各種不利的條件。華北和西北地區(qū)風沙嚴重，極易對風力機葉片表面造成污染和侵蝕。沿海地區(qū)空氣濕度較大且熱帶氣旋瀕臨頻繁。一方面溫濕的空氣容易對葉片表面造成腐蝕破壞其幾何輪廓；另一方面，頻繁的熱帶氣旋侵犯對風力機葉片的結構強度是一個巨大考驗。這要求設計出在變工況條件下性能優(yōu)異且穩(wěn)定的翼型系列。

其次，風力機的葉片日趨大型化對葉片的材料和結構特性提出了更高要求；同時，葉片尺寸的顯著增長，風切變效應的影響更加明顯，加之在風力機運行過程中葉片不同部位的風速呈線性分布使得葉片各部位翼型的流動雷諾數(shù)差異很大。這些要求開發(fā)出性能優(yōu)良且隨著Re變化穩(wěn)定的適用于葉片中部和尾部的大厚度翼型系列。

另一方面，增加翼型厚度及尾緣厚度可以增加翼型的橫截面積、改善翼型的厚度分布，顯著提高翼型的結構剛度。同時適當提高翼型的尾緣厚度可以減小吸力面逆壓梯度，從而延遲湍流分離，提高最大升力系數(shù)。盡管阻力系數(shù)也會增加，但翼型的升阻比是增加的，所以翼型的氣動效率得到了加強。通常，大厚度翼型適用于葉片根部，該處流動常常處于大攻角的流動分離流動狀態(tài)，具有較強的三維流動特性，因此性能優(yōu)良的大厚度、鈍尾緣翼型的設計，對于研發(fā)高性能大型風電葉片具有重要意義。

目前應用于風力機葉片內側的翼型的相對厚度多為30%～40%，尾緣厚度也較小。而且現(xiàn)有厚翼型的設計雷諾數(shù)單一；設計攻角較小，遠遠低于風力機運行時根部區(qū)域翼型所處的攻角范圍；升力系數(shù)失速劇烈，在大攻角下較小。這些缺陷不利于提高大型風力機的風能捕獲率。

發(fā)明內容

發(fā)明目的：鑒于以上問題，本發(fā)明目的在于提出一族在運行攻角下具有高升力系數(shù)且變工況性能穩(wěn)定的大厚度鈍尾緣翼型，可以滿足大型風力機葉片在結構和氣動方面對翼型的需求。

本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的。

一族大厚度鈍尾緣風力機翼型，在運行攻角下具有高升力系數(shù)且變工況性能穩(wěn)定，包括四種大厚度翼型，其特征在于，所述四種大厚度翼型的最大相對厚度依次為45%、50%、55%和60%，尾緣相對厚度依次為7%、9%、12%和16%；所述四種翼型的最大厚度的弦向相對位置位于30%～35%之間，上表面最大厚度的弦向相對位置在28%～33%之間，下表面最大厚度的弦向相對位置在33%～37%之間；所述四種翼型的中弧線，均在弦線的上面，且在靠近前緣處和靠近尾緣處分別有一個向上的凸起峰；所述四種翼型的最大相對彎度值在2%～3.2%之間，最大彎度的弦向相對位置在74%～79%之間；所述四種翼型的前緣半徑在0.099～0.125倍弦長之間；其中，所述最大相對厚度是各翼型上下兩個面之間的最大厚度與弦長的比值，各所述弦向相對位置是指弦向位置相對弦長的比值。

優(yōu)選地，所述四個翼型的中弧線沿著弦長的分布特征一致，靠近前緣處的中弧線向上凸起峰，其弦向相對位置在22%～23%之間；靠近尾緣處的中弧線向上凸起峰，其弦向相對位置在75%～78%之間。

優(yōu)選地，所述四種大厚度鈍尾緣翼型用于風力機葉片的根部區(qū)域，在運行攻角為15°～30°的范圍內，具有高升力系數(shù)和穩(wěn)定變工況性能。

優(yōu)選地，所述四種大厚度鈍尾緣翼型的設計雷諾數(shù)依次為4.0×10⁶、3.5×10⁶、3.0×10⁶、2.5×10⁶。

優(yōu)選地，45%相對厚度的翼型的設計雷諾數(shù)為4×10⁶，該翼型吸力面和壓力面的無量綱幾何坐標分別為:

表一45%相對厚度翼型的吸力面坐標（x/c，y/c）