一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低風(fēng)速翼型族的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種風(fēng)力機(jī)葉片低風(fēng)速翼型族，該翼型族主要用于年平均風(fēng)速在5m/s～7.5m/s的低風(fēng)速區(qū)域。該翼型族由第一至第六共6個不同最大相對厚度的翼型組成，從葉片尖部到葉片根部，第一翼型至第六翼型的最大相對厚度分別為15％～35％；各翼型均具有S型的壓力面；各翼型均為鈍尾緣；各翼型的設(shè)計雷諾數(shù)為1×106～4×106；各翼型的設(shè)計攻角為6°或7°。該翼型族主要針對中國內(nèi)陸大部分風(fēng)功率密度等級在2～4，50米高度處年平均風(fēng)速在6.4～7.5m/s的地區(qū)，能夠提高葉片在低風(fēng)速區(qū)域的風(fēng)能利用率。
【專利說明】一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低風(fēng)速翼型族

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于氣動翼型設(shè)計【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低風(fēng)速翼型族?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002] 風(fēng)電機(jī)組的工作原理是通過葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過輪轂、軸和齒輪箱 等連接裝置把機(jī)械能傳遞給風(fēng)力發(fā)電機(jī)，最后由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能輸向電網(wǎng)供 用戶使用，因此葉片是風(fēng)電機(jī)組的核心部件之一。而機(jī)組葉片的設(shè)計過程是將翼型按照 一定的扭角、弦長和厚度分布沿葉片展向積疊而成，所以翼型的氣動性能好壞對風(fēng)電機(jī)組 的捕風(fēng)能力有著重要的影響，直接決定了風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用效率。在過去的幾十年里， 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量小、風(fēng)能利用效率低，葉片多選用航空翼型，例如NACA44XX、NACA23XXX、 NACA63-XXX和NASALS(I)系列翼型。由于制造誤差、沙石和灰塵摩擦、昆蟲殘骸的附著、空 氣和雨水的腐蝕等因素導(dǎo)致葉片前緣表面粗糙度的增加，傳統(tǒng)翼型在大攻角下隨著前緣粗 糙度的增加翼型前緣處邊界層提前由層流轉(zhuǎn)捩成湍流，翼型上邊面邊界層過早發(fā)生分離， 導(dǎo)致葉片最大升力系數(shù)嚴(yán)重下降。前緣粗糙度也會導(dǎo)致翼型阻力的大幅度增加，升阻比曲 線斜率降低最大升阻比下降，進(jìn)一步增加了機(jī)組的能量損失。對失速型機(jī)組來說，由于前緣 粗糙度的增加機(jī)組年能量損失高達(dá)20%?30% ;變槳距型風(fēng)電機(jī)組由于其攻角可以調(diào)節(jié)， 在大風(fēng)速下由前緣粗糙度造成的能量損失有所下降，年能量損失在10%?15%左右；變 速型風(fēng)電機(jī)組受前緣粗糙度的影響最小，年能量損失在5%?10%左右。隨著風(fēng)電機(jī)組容 量的不斷增大傳統(tǒng)翼型已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)的設(shè)計要求，為了減少能量損失，美國、荷 蘭、丹麥、瑞典等國家早在20世紀(jì)八十年代就開始進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組專用翼型族的開發(fā)。目前 國外的葉片普遍采用了風(fēng)力機(jī)專用新翼型，不僅提高了風(fēng)電機(jī)組的效率，而且降低了葉片 加工成本、減小了噪音，翼型良好的失速特性更加有利于風(fēng)電機(jī)組的控制。國內(nèi)的新翼型設(shè) 計研究起步較晚，缺乏新翼型的設(shè)計數(shù)據(jù)和氣動數(shù)據(jù)，嚴(yán)重的影響了國內(nèi)葉片的設(shè)計水平。
[0003] 從1984年開始到1995年，美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL)針對不同容量的風(fēng)電 機(jī)組設(shè)計了 9個S翼型族共25個翼型，除了早期為葉根設(shè)計的厚翼型（S804,S807,S808， S811)外，所有的翼型都表現(xiàn)出對前緣粗糙度的不敏感性，在接近最大升力系數(shù)時，由層流 到湍流的轉(zhuǎn)捩點(diǎn)十分靠近翼型前緣。在葉尖處的翼型上表面層流長度占到了 50%的翼型面 積，下表面甚至超過了 60%。該翼型的俯仰力矩系數(shù)和Cumax成比例，因此S翼型的俯仰力 矩系數(shù)較之傳統(tǒng)翼型較小。該翼型還有良好的失速特性，隨著攻角的增加其失速平緩，減小 了風(fēng)力機(jī)的功率和載荷波動。
[0004] 上世紀(jì)九十年代初，荷蘭Delef大學(xué)風(fēng)能研究所基于XFOIL的改進(jìn)版RFOIL軟件 先后開發(fā)了從15%到40%相對厚度的DU翼型族，一共包括15個翼型。該翼型的設(shè)計雷諾 數(shù)在2XIO6?4XIO6之間，為了保證翼型對前緣粗糙度的不敏感性適當(dāng)?shù)慕档土松ο?數(shù)。實(shí)驗(yàn)證明該翼型具有良好的前緣粗糙度不敏感性和低噪音特點(diǎn)。
[0005] 20世紀(jì)90年代中期，丹麥國家實(shí)驗(yàn)室RisΦ先后開發(fā)了RisΦ-Α1、RisΦ-Ρ和 Risct-B風(fēng)力機(jī)專用新翼型族，翼型的設(shè)計策略是：在葉片設(shè)計攻角下具有高的升阻比、良 好的前緣粗糙度不敏感性、好的幾何兼容性。
[0006] 瑞典航空研究院從20世紀(jì)90年代開始陸續(xù)開發(fā)了FFA-W1、FFA-W2、FFA-W3等翼 型族。不同的翼型族適用于不同容量的風(fēng)電機(jī)組，F(xiàn)FA-W3適用于MW級風(fēng)電機(jī)組，該翼型族 氣動特性良好，有著較高的升阻比CVCd和較大的最大升力系數(shù)Cumax，良好的前緣粗糙度不 敏感性和低噪音等特點(diǎn)，世界最大的葉片生產(chǎn)商丹麥LM公司生產(chǎn)的大型風(fēng)電機(jī)組上廣泛 的采用了該翼型族。
[0007] 中國是風(fēng)能資源豐富的國家，根據(jù)中國氣象科學(xué)研究院估算的數(shù)據(jù)，我國在IOm 低空范圍的可開發(fā)利用的風(fēng)力資源約為10億kw，其中陸上約為2.53億kW，如果擴(kuò)展到 50-60m以上的高度，風(fēng)力資源將至少再擴(kuò)大一倍。而且國內(nèi)風(fēng)力資源主要集中在三北地區(qū) 和東部沿海地帶，給大規(guī)模的開發(fā)和利用提供了良好的條件。中國近幾十年風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展 迅速，2006?2008年連續(xù)3年內(nèi)總裝機(jī)容量增長率都保持在100%以上，如此迅速的發(fā)展 也帶來了一些技術(shù)上亟待解決的問題，中國的風(fēng)資源相對歐洲和美國地區(qū)質(zhì)量相對較差， 歐洲風(fēng)資源豐富區(qū)機(jī)型如Vestas2.OMW、FLANDE1. 5MW、REP0WER1. 5MW、GEL5MW為主流，機(jī) 組額定風(fēng)速在12-15m/s之間，特點(diǎn)是適合安裝在3-4類風(fēng)資源區(qū)，如安裝在2-3類風(fēng)區(qū)， 年發(fā)電量等效滿負(fù)荷小時數(shù)將低于1800小時。中國大部分地區(qū)年平均風(fēng)速較低，以東北某 地區(qū)為例，1?llm/s風(fēng)速的分布幾率為0. 95,1?9m/s分布幾率為0. 92。而國內(nèi)的風(fēng)電 場中廣泛安裝著國外進(jìn)口的機(jī)組，國內(nèi)的機(jī)組葉片也是大量的采用國外的技術(shù)，這些風(fēng)力 機(jī)在中國都表現(xiàn)出風(fēng)能利用系數(shù)低于設(shè)計值，年發(fā)電量低于國外測試水平，所以有必要開 發(fā)出一套適用于中國低風(fēng)速區(qū)的低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)專用翼型族。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種風(fēng)力機(jī)葉片低風(fēng)速翼型族，該翼型族主要用于年平均 風(fēng)速在5m/s?7. 5m/s的低風(fēng)速區(qū)域。
[0009] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0010] 該翼型族由第一至第六共6個不同最大相對厚度的翼型組成，所述的相對厚度是 各翼型上下兩個面之間的最大距離與弦長的比值，所述弦長是翼型前緣到尾緣的弦線的長 度；
[0011] 從葉片尖部到葉片根部，第一翼型至第六翼型的最大相對厚度分別為15 %、18 %、 21%,24%,30%,35% ；
[0012] 各翼型均具有S型的壓力面；
[0013] 各翼型均為鈍尾緣；
[0014] 各翼型相比同類NACA翼型具有小的前緣半徑；
[0015] 各翼型的設(shè)計雷諾數(shù)為IXIO6?4XIO6;
[0016] 各翼型的設(shè)計攻角為6°或7°。
[0017] 第一翼型和第二翼型兩個薄翼型用于葉片尖部，第三翼型和第四翼型過渡翼型用 于葉片的中部，第五翼型和第六翼型兩個厚翼型用于葉片根部。
[0018] 本發(fā)明的有益效果為：
[0019] (1)本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低風(fēng)速專用翼型族主要用于中國大部分年平均風(fēng)速在 5m/s?7. 5m/s的低風(fēng)速區(qū)域。
[0020] (2)本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低風(fēng)速專用翼型族有著高的最大升力系數(shù)Crmax，在低 風(fēng)速區(qū)具有高的升阻比C1Ztd，高風(fēng)速區(qū)升阻比增加緩慢利于機(jī)組進(jìn)行功率控制。
[0021] (3)本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低風(fēng)速專用翼型族實(shí)現(xiàn)了最大升力系數(shù)Cumax對前緣 粗糙的不敏感性。
[0022] (4)本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低風(fēng)速專用翼型族的失速特性平緩，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī) 組在額定風(fēng)速以上平穩(wěn)有效的輸出功率；
[0023] (5)本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低風(fēng)速專用翼型族各翼型之間幾何兼容性好，這樣加 工出來的葉片表面各翼型連接處能光滑過度、氣動性能好，機(jī)組的功率和載荷波動小。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1為各翼型在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片展向使用位置示意圖。
[0025] 圖2為本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電組專用翼型族的組合圖。
[0026] 圖3為本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組專用翼型族中第一翼型的輪廓圖。
[0027] 圖4為本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組專用翼型族中第二翼型的輪廓圖。
[0028] 圖5為本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組專用翼型族中第三翼型的輪廓圖。
[0029] 圖6為本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組專用翼型族中第四翼型的輪廓圖。
[0030] 圖7為本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組專用翼型族中第五翼型的輪廓圖。
[0031] 圖8為本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組專用翼型族中第六翼型的輪廓圖。
[0032] 圖9為本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組專用翼型族的設(shè)計流程圖。
[0033] 圖10(a)?圖10(f)分別為本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組專用翼型族第一翼型的氣動特 性XFOIL計算圖中實(shí)線：自由轉(zhuǎn)捩，虛線：固定轉(zhuǎn)捩，alpha單位：度。
[0034] 圖11(a)?圖11(f)分別為本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組專用翼型族第四翼型的氣動特 性XFOIL計算圖中實(shí)線：自由轉(zhuǎn)捩，虛線：固定轉(zhuǎn)捩，alpha單位：度。

【具體實(shí)施方式】
[0035] 本發(fā)明提供了一種風(fēng)力機(jī)葉片低風(fēng)速翼型族，下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本 發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0036] 本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組專用翼型族是基于XFOIL軟件進(jìn)行新翼型的幾何設(shè)計和 氣動計算的。XFOIL最初是由美國麻省理工大學(xué)的MarkDrela博士在1986編寫的，計算模 型采用了粘性和無粘性相結(jié)合的方法，主要是用于亞音速翼型的設(shè)計和計算。由于XFOIL 的計算速度快，魯棒性能好，非常適合處理風(fēng)力機(jī)這種低雷諾數(shù)流動問題，計算結(jié)果的精確 性滿足設(shè)計要求，所以在風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計領(lǐng)域的得到了廣泛的應(yīng)用。
[0037] 本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組專用翼型族采用正設(shè)計和反設(shè)計相結(jié)合的混合設(shè)計方法。 正設(shè)計方法：通過修改翼型的幾何外形參數(shù)，如修改翼型厚度、彎度、前緣半徑、尾緣夾角、 尾緣厚度等翼型外形參數(shù)來改變翼型的氣動特性。反設(shè)計方法：通過修改對應(yīng)攻角下翼型 表面壓力Cp曲線，壓力曲線直接影響翼型表面的流體流動情況。具體設(shè)計流程如圖9所示。
[0038] 初始翼型的形狀應(yīng)該是任意形狀，其幾何外形可以用B樣條曲線來描述，設(shè)計控 制參數(shù)點(diǎn)的多少由開發(fā)者自己根據(jù)設(shè)計目標(biāo)選取，不應(yīng)過多造成計算量的大幅度增加，設(shè) 計過程要考慮計算成本。翼型的設(shè)計目標(biāo)主要包括氣動目標(biāo)、結(jié)構(gòu)目標(biāo)、非設(shè)計工況目標(biāo)、 噪音、葉片成本等。翼型的設(shè)計過程是個不斷重復(fù)循環(huán)的多目標(biāo)優(yōu)化問題，這就要求根據(jù)設(shè) 計目標(biāo)和設(shè)計約束不斷的修改翼型的幾何參數(shù)和氣動參數(shù)。有些設(shè)計目標(biāo)是相互沖突的不 可能同時達(dá)到設(shè)計要求，這就需要設(shè)置這些目標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。設(shè)計總目標(biāo)函數(shù)為：

【權(quán)利要求】
1. 一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低風(fēng)速翼型族，由第一至第六共6個不同最大相對厚度的翼型組 成，所述的相對厚度是各翼型上下兩個面之間的最大距離與弦長的比值，所述弦長是翼型 前緣到尾緣的弦線的長度，其特征在于， 6個翼型的最大相對厚度為15 %?35% ; 各翼型均具有S型的壓力面； 各翼型均為鈍尾緣； 各翼型的設(shè)計雷諾數(shù)為1X106?4X106; 各翼型的設(shè)計攻角為6°或7°。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低風(fēng)速翼型族，其特征在于，所述第一翼 型和第二翼型兩個薄翼型用于葉片尖部，第三翼型和第四翼型兩個過渡翼型用于葉片的中 部，第五翼型和第六翼型兩個厚翼型用于葉片根部。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低風(fēng)速翼型族，其特征在于，所述第一翼 型至第六翼型的最大相對厚度分別為15%、18%、21%、24 %、30 %、35 %。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低風(fēng)速翼型族，其特征在于，所述第一翼 型的無量綱二位坐標(biāo)為：

其中，x/c值表示翼型曲線上某點(diǎn)在弦線方向上相對于前緣的位置，y/c值表示從弦線 到翼型曲線上某點(diǎn)的高度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低風(fēng)速翼型族，其特征在于，所述第二翼 型的無量綱二位坐標(biāo)為：

其中，x/c值表示翼型曲線上某點(diǎn)在弦線方向上相對于前緣的位置，y/c值表示從弦線 到翼型曲線上某點(diǎn)的高度。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低風(fēng)速翼型族，其特征在于，所述第三翼 型的無量綱二位坐標(biāo)為：

其中，x/c值表示翼型曲線上某點(diǎn)在弦線方向上相對于前緣的位置，y/c值表示從弦線 到翼型曲線上某點(diǎn)的高度。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低風(fēng)速翼型族，其特征在于，所述第四翼 型的無量綱二位坐標(biāo)為：

其中，x/c值表示翼型曲線上某點(diǎn)在弦線方向上相對于前緣的位置，y/c值表示從弦線 到翼型曲線上某點(diǎn)的高度。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低風(fēng)速翼型族，其特征在于，所述第五翼 型的無量綱二位坐標(biāo)為：

其中，x/c值表示翼型曲線上某點(diǎn)在弦線方向上相對于前緣的位置，y/c值表示從弦線 到翼型曲線上某點(diǎn)的高度。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低風(fēng)速翼型族，其特征在于，所述第六翼 型的無量綱二位坐標(biāo)為：

其中，x/c值表示翼型曲線上某點(diǎn)在弦線方向上相對于前緣的位置，y/c值表示從弦線 到翼型曲線上某點(diǎn)的高度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低風(fēng)速翼型族，其特征在于，所述翼型族 適用于年平均風(fēng)速在5m/s?7. 5m/s的低風(fēng)速區(qū)域。
【文檔編號】F03D11/00GK104405596SQ201410770683
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月12日
【發(fā)明者】龍凱, 謝園奇, 張惠 申請人:華北電力大學(xué)