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淘豆网网友近日为您收集整理了关于风力机专用翼型及其设计分析方法研究硕士论文的文档，希望对您的工作和学习有所帮助。以下是文档介绍：风力机专用翼型及其设计分析方法研究硕士论文 重庆大学硕士学位论文风力机专用翼型及其设计分析方法研究姓名:李海锋申请学位级别:硕士专业:机械制造及其自动化指导教师:何玉林2010-05中文摘要I摘要风机的叶片由若干翼型组成,各种具有较优气动性能的翼型优化组合在一起,风轮的气动性能才能得到最佳的发挥。所以了解和分析风机翼型的气动特性对风机整体气动性能系统分析显得尤为必要。目前,国内风电整机制造企业都是直接购买国外的叶片设计方案,而且在风机载荷计算过程中,企业也对风机叶片翼型的数据进行了加密处理。针对以上的问题,本论文主要针对风机新翼型及其气动性能进行研究。论文主要研究工作包括:①分析现有风机翼型几何表达方式,包括无量纲化处理、弦长、厚度、弯度等;明确论文需要分析的气动特性参数,包括升阻力特性和俯仰力矩特性,并重点探讨了对风机翼型气动特性有重要影响的失速性能。②广泛收集和分析了现有的风机专用翼型,并以 NACA 经典翼型在风机上的应用为基础,对比分析了各风机专用翼型的几何特点、气动特性和适用机型。③对适用于风机翼型的低雷诺数翼型设计分析软件进行研究,探讨 Javafoil、Profil、Xf(来源：淘豆网[/p-5147927.html])oil 软件的优缺点和适用范围;并研究了国际上广泛用于风机翼型设计分析的 Xfoil 软件;利用 Xfoil 对瑞典航空学院研制的 FFA-W3-211、FFA-W3-241 和 FFA-W3-301 风机翼型进行气动特性分析,并与获得的实验数据对比,验证其计算模型的可行性和可靠性;进一步利用 FFA-W3 三翼型的气动数据,研究了翼型几何以及雷诺数对风机翼型气动性能的影响。④详细分析现有可用于风机翼型设计分析的计算模型,提出了每套计算模型的优缺点;提出利用非粘性和粘性方法结合,单向耦合方法求解风机翼型气动特性;并利用非粘性面元法和粘性边界层方法建立风机翼型气动分析模型。⑤以实验室搭建的风机系统分析平台为依托,嵌入风机翼型设计分析模块;利用Visual Studio 2003 实现平台的搭建和风机翼型设计分析模块的界面设计;同时用 C/C++实现翼型几何表达和风机翼型气动计算模型搭建;对模块进行算例分析,结果与 Xfoil及获得的实验结果进行对比,验证了设计界面的可行性和模型计算结果的可靠性。(来源：淘豆网[/p-5147927.html])关键词:风力机,翼型,升阻力系数,气动特性,Xfoil英文摘要IIIABSTRACTTypically, wind turbine blade is constituted of several airfoils, and wind turbine rotoraerodynamic performance can not be maximized without bination of airfoilswith superior aerodynamic characteristic. So it is quite essential to investigate and analysiswind turbine airfoil aerodynamic characteristic for fully understanding the whole wind turbineaerodynamic characteristics. At present, domestic wind turbine(来源：淘豆网[/p-5147927.html]) manufacturers normallypurchase blade design solutions directly from abroad, and during the process of wind turbineload calculation, domestic manufacturers choose to encrypt airfoil data for property protection.Aimed at above problems, the thesis conducted research on wind turbine dedicated airfoil andits design and analysis methodology. The main research work of the thesis includes:① Analysed geometric expression style of existing wind turbine airf(来源：淘豆网[/p-5147927.html])oils, includingnondimensionalization、chord length、thickness、 Identified the aerodynamicparameters to be analyzed, including lift and drag characteristic and pitch momentcharacteristic, and further investigated the stall characteristic which has great impact on windturbine airfoil aerodynamic characteristic.② Extensively collected and analysed dominant wind turbine dedicated airfoils, andbased on the application of NACA airfoil on wind tur(来源：淘豆网[/p-5147927.html])bine, compared and analysed thegeometric features、aerodynamic characteristics and applicable wind turbine types.③ Conducted research on low Reynolds airfoil design and analysis software suitable forwind turbine airfoil, and investigated the strengths、weaknesses and applicability of Javafoil、Profil and X Studied the widely applied wind turbine airfoil design and analysis softwareX Analysed the aerodynamic characteristic of FFA-W3-211 、 FFA-(来源：淘豆网[/p-5147927.html])W3-241 andFFA-W3-301 (designed by the Aeronautical Research Institute of Sweden) via Xfoil, pared them with obtained experimental data, verified the feasibility and reliability of
Furthermore through the aerodynamic data of FFA-W3 three airfoils,studied the effects of airfoil geometry and Reynolds number on wind turbine airfoilaerodynamic characteristic.④ Dissected the available calculation models suitable for wind turbine airf(来源：淘豆网[/p-5147927.html])oil design andanalysis, and presented the pros and cons of individu Proposed toestablish wind turbine airfoil aerodynamic analysis model by way of inviscid and viscid重庆大学硕士学位论文IVcoalition, one-way coupling method to solve wind turbine airfoil aerodyand established the aerodynamic analysis model of wind turbine airfoil via inviscid panelmethod and viscid boundary layer method.⑤ Based on the wind turbine syste(来源：淘豆网[/p-5147927.html])matic analysis platform, incorporated the module ofwind turbine airfoil Fulfilled the platform establishment and interfacedesign of the wind turbine airfoil design and analysis module by Visual Studio 2003;Meanwhile, realized airfoil geometric expression and wind turbine airfoil aerodynamic modelvia C/C++;Conducted sample analysis of the module, compared the results with Xfoilcalculation and experimental data, and validated the (来源：淘豆网[/p-5147927.html])feasibility of the interface design andreliability of the model calculation results.Keywords: Wind Turbine, Airfoil, Lift and Drag Coefficient, Aerodynamic Characteristic, Xfoil.1 绪论11 绪论1.1 引言风能作为一种可再生能源,在煤、石油和天然气等非可再生能源日益耗竭以及全世界对可持续发展要求的情况下,正越来越来受到世界各国的关注。近几年来,全球风电发展形势喜人。据全球风能理事会发布的 2008 年全球风电市场统计数据,在欧洲、北美和亚洲三大主力市场的驱动下,2008 年全球风电新增装机容量超过 27000MW,同比增长 36%。2008 年全球风电装机增长率为 28.8%,年底装机容量达到了 120.8GW[1],相当于减排 1.58 亿吨二氧化碳。图 1.1 为
年全球风机总装机容量柱状图,(来源：淘豆网[/p-5147927.html])可以看出,在此期间,全球风机总装机容量稳步增加。图 1.2 为
年全球风机每年新增装机容量柱状图,可以看出,在此期间,全球风机每年新增装机容量持续增加, 年尤甚。美国超越德国,成为全球风电装机容量第一大国。中国的风电装机容量已经连续第四年翻番增长,2008 年中国新增装机容量达 7190MW,同比增长率达到 108.4%,累计装机容量已经越过 13000MW 大关[2]。可以预见的是,按照目前的发展速度,中国将不久之后赶超德国和西班牙,在 2010 年总装机容量跃居世界第二位,提前十年实现 2020 年 30GW 的目标。图 1.1
全球风机总装机容量柱状图Fig1.1 Histogram of Global Wind Turbine Total Installed Capacity重庆大学硕士学位论文2图 1.2
全球风机每年新增装机容量柱状图Fig1.2 Histogram of Global Wind Turbine Annual Installed Capacity风力发电机组是将风能转化为电能的装置,是一个完整的风力发电场最关键的装置。通常意义上来说,一个现代的风力发电机组由叶片、轮毂、主轴、齿轮箱、电机、塔架、机舱和控制器等基本零部件组成。早在 14 世纪的时候,荷兰人就用风机来灌溉农田。世界上第一台已知的用来充电的风机是苏格兰人 James Blyth 于 1887 年立起来的。1931 年,在 USSR, Yalta,世界上真正意义上的一台水平轴风力发电机投入运行,塔架高达 30m, 额定功率 100kW,风能利用率达到 32%,非常接近现代风机[3]。现代风机可分为两种,垂直轴和水平轴,目前投入商业应用的多为水平轴风机。现在国际上比较有名的风机制造商有丹麦 Vestas 公司,Siemens 公司,德国的 Enercon 公司以及美国的 GE公司等。随着各国政府对风电的政策支持以及风电企业、高校、科研院所等对风电技术的持续研发投入,世界上的风电技术发展迅速,单机容量已经达到了 MW 级别。更多的更大单机容量的风电机组会出现在市场上,目前国际上主流的风电机组已达到 2-3MW,有 3 种超过 3MW 的风机投入商业化,4.5MW 到 5MW 的新一代兆瓦级的风机样机也进入测试阶段。ERpower 是目前最大的风机型号,额定功率 5MW,风轮直径达 125m。Enercon 在德国安装的第五代样机为 4.5MW,风轮直径达 112m[2]。近十年来,中国大型风机实现从零起步,已经掌握了 750kW 机组整机和零部件的设计制造技术并实现了批量生产,目前 MW 级的变速恒频机组正在研制并有部分机组已经投入运行。2004 年以来,很多实力雄厚的企业进入风电领域,有望推进 MW 级风机的国产化进程,但整体上来说,整机的总体设计和关键部件设计制造技术仍然是中国风机制造业的最大瓶颈。目前有多家传统设备制造商通过直接引进 MW 级风机技术的形式进入风机制造市场,如大连重工和东方汽轮机。另一种方式是通过和外方合作生产1 绪论3风机的方式,如湘电股份、株洲电机等。金风科技、沈阳工大、浙江运达通过自主研发的方式开发 MW 级风机。1.2 研究背景及意义1.2.1 课题研究背景风电技术复杂,其研究内容牵涉到空气动力学、材料力学、制造工艺学、电机学、控制技术学、电力传输技术学等。风力发电机组的叶片作为捕获风能最直接的部件,其价值占到整机价值的 25%左右。叶片的直径、弦长、各截面翼型选择、纵向的扭角分布等都会影响到叶片的气动性能,进而影响风轮的功率输出。而叶片的结构、材料和工艺直接影响风机的强度、疲劳、震动、载荷及成本等。因此,一个设计良好的叶片,应该具有较佳的空气动力学性能,良好的结构和制造工艺,这样风力发电机组才能稳定运行并具有高的功率输出。目前,因为风力发电机组向着更高的额定功率发展,最大的叶轮直径已经达到 125m,风电机组对叶片的气动性能、结构和工艺提出了更高的要求。当前,风机叶片产业已经日臻成熟,叶片作为风电设备的核心部件,价值量最大。由于风机叶片的技术含量与准入门槛较高,国内目前具备叶片规模生产能力的企业并不多[4]。主要有中材科技、中复连众、中航惠腾,棱光实业。全球风机叶片市场占有率最高达 45%的是全球领先的风机叶片制造商丹麦的 LMlasfiber 公司。鉴于中国风电市场的井喷式发展,国际上知名的风机叶片制造商丹麦艾尔姆(LM)公司、维斯塔斯(Vestas)公司、西班牙歌美飒(Gamesa)公司和印度苏司兰(Suzlon)公司,都已经在天津设厂生产风机叶片。尽管目前国内有超过 40 家的叶片制造商,大多数企业在国际知名风机制造企业和国内大型企业的市场挤压下,由于缺乏独特的技术优势,注定要在竞争中被淘汰。根据国内几家重要的风电叶片制造企业的规划,中材科技、中复连众、中航惠腾均有 1000 套的扩产计划,棱光实业 2009 年的产能达到 550 套,2010 年将继续提高,四家企业的总体规模预计可以达到 4000 套。按照外资企业的生产计划规划,他们的生产规模预计能达到 2000 套。这样的发展规模基本能满足市场需求。但是,风机叶片行业跟市场经济下任何一个行业一样,都要经历短缺到均衡,从暴利到薄利的过程。风电叶片制造企业要想在激烈的国内外竞争中立于不败之地,必须占有独特的技术优势,积极降低成本,获得高于行业平均水平的盈利能力。风机叶片国产化程度较低严重影响了我国风电事业的发展。国内风机叶片制造企业多数是引进国外成熟的叶片制造技术,如中复集团就是从德国引进的整套 1.5MW 风力发电复合材料叶片制造技术,在连云港建立了叶片生产基地。如何国产化风机叶片制造重庆大学硕士学位论文4技术,是缓解我国新能源的需求,推进风机整机国产化的重要过程。上海玻璃钢研究所通过引进国外产品,对系列化的风机叶片进行研究开发和小批量生产,在风机叶片结构设计、静动测试、模具装备、工艺和质保系统方面积累了宝贵的经验,并积极地推进 2MW风机产品的研发。因此,叶片的设计制造技术作为风力发电机组系统设计与开发的关键问题和难点问题,关键技术一直掌握在世界知名企业上。要想加快推进国内风电技术的发展和风电设备国产化进程,全面掌握风电叶片气动设计,结构设计,模芯、模具和叶片制造,产品检测等全过程风电叶片技术刻不容缓。本文从风力机叶片的翼型出发,针对风机翼型气动数据难获得,实验成本高的难题,比较分析国内外低速风机翼型设计分析的理论,建立风机翼型的气动性能分析模型,并提供风机翼型交互设计分析界面,为风机专用翼型的选型设计分析提供了良好的平台。1.2.2 课题来源本课题的来源是重庆市科技攻关计划重点项目“风力发电机组系统设计关键技术”(项目编号:CSTC)。风力发电机组系统设计分析软件及设计平台开发是重要的研究内容之一。其中包括风况模块、空气动力学模块、整机建模模块、性能分析模块等。风电机组系统分析软件旨在收集、综合和分析、处理风机设计分析领域的知识,并在对风机分析知识提炼的基础上,利用 C/C++编程语言,在 Visual Studio 2003 编程平台实现风机各个领域知识的整合,对风机进行系统的分析。风机翼型设计分析模块作为其中一个模块,其工作涉及到:翼型几何交互性界面设计;风机翼型数据库的建立;低速翼型气动性能计算理论分析比较;风机翼型气动性能软件计算;风机翼型气动性能计算模型建立;风机翼型气动性能结果分析和验证。本论文的研究内容主要是以搭建的风机系统分析平台为依托,建立翼型设计分析模块,对比分析了现有的低速翼型气动性能计算理论,并建立风机翼型的气动性能计算模型,实现了风机翼型设计分析界面设计,最后进行了计算模型和界面设计的可靠性和可行性的验证。1.2.3 课题研究意义风力发电机组由叶片、传动系统、发电机、塔架及电器设备等构成。一个设计合理,气动性能突出和结构性能优越的风机叶片,可以有效地提高风机发电功率和性能。因此可以说,风机叶片是风力发电机组的核心技术。另一方面,风机叶片尺寸大、外形复杂,并要求具有高精度、低的表面粗糙度、比较高的强度和刚度、均匀的质量分布,叶片技术的发展极大制约着风力发电整体技术的发展。翼型是风机叶片几何设计的基本组成部分,对叶片的气动性能和质量有重要的影1 绪论5响。在专门的风机翼型还未出来之前,风机翼型的设计多以一般的低速飞机的航空翼型为基础,进行必要的改型。尽管航空翼型如 NACA63-2 系列的翼型总体性能表现良好,对表面粗糙度有良好的不敏感性,在各种水平轴风力机上也得到了广泛的应用。但大多数航空翼型直接应用于风机时,性能表现并不好。如 NACA230 系列翼型具有对表面污垢敏感的最大升力系数,且他们的性能随着厚度的增加降低很快[5]。为此,发展针对风机设计的翼型显得尤为重要。对整个风力发电机组来说,其空气动力学理论是风机气动载荷、气动性能计算分析的基础,而翼型的空气动力学理论亦是叶片空气动力学理论的基础。在国际上通用的风机载荷计算软件 Bladed 中,在叶片模型定义这块,最重要的一块是截面翼型数据的输入[6]。其中包括翼型的类型、厚度、雷诺数、攻角、升阻力系数等。此类数据一般都由叶片厂家提供,并不对外公开。研究和分析风机翼型的气动性能,并建立计算模型,对于彻底了解风机的空气动力学特性显得尤为重要。目前国内在低速翼型空气动力学方面所做的工作,主要集中在飞机的翼型设计分析上[7][8][9],而对风机翼型的研究也多集中在依靠 CFD(计算流体力学)方法利用 Fluent等软件计算翼型的气动参数[10][11][12]。本论文在 VC++编程平台搭建的风机系统分析平台上,建立翼型设计分析模块,这对用数值方法理论计算翼型的气动参数无疑是一种相当有意义的探索。1.3 国内外研究状况1.3.1 国外发展与研究状况风机翼型的设计分析理论从根本上决定风机整体的功率特性和载荷特性。因为其重要性,翼型设计分析理论的研究一直是世界各国专家和学者的科研热情所在。风机翼型的发展来源于低速应用的翼型,如滑翔机翼型。早期的低速翼型运用在风机上有Wortmann FX-77 翼型和 NASA LS 翼型[13][17]。在 20 世纪 80 年代,因为美国国家可再生能源实验室(NREL)的 Tangler 和 Somers 发展了许多的 NREL 翼型,对促进风机翼型的发展做出了很大贡献[14]。同时,他们也提出了翼型的反设计方法。对 NREL 系列翼型的相关阐述可以在文献[14]中找到。后续的瑞典的 Bjrk A 发展了 FFA-W 系列的翼型[15],荷兰代尔夫特理工大学的 Timmer WA 和 van Rooij 也对风机翼型的发展做出了贡献,发展了 DU 系列的翼型[16]。20 世纪 90 年代中期,丹麦 Ris 风能重点实验室开始研制新的风机翼型,到目前为止已经发展出了 Ris-A1, Ris-P 和 Ris-B1 三种翼型系列[17]。翼型研究包括两方面,翼型分析和翼型优化设计。翼型分析是研究翼型气动性能,是翼型优化设计的基础。翼型设计有两种方法,包括直接数值优化设计方法和反设计方重庆大学硕士学位论文6法。直接数值优化设计方法将 CFD 跟最优化设计理论结合起来,以升力或者升阻比为目标函数,通过不断修正翼型的几何形状,获得目标函数所要求的气动性能最佳的翼型几何形状。反设计方法的目标函数主要是目标压力分布,首先要给定一个基础翼型,通过翼型几何和流体控制方程,不断逼近所需的目标压力分布,从而得到满足给定流场分布的翼型几何。Jacobs 的翼型设计方法是最早的翼型反设计方法,用这种方法设计的NACA 6 系列的翼型至今都在用。德国的学者 Mangler 和英国学者 Lighthill 首先提出基于保角变换的翼型反设计方法,但是计算冗长。Mangler 和 Lighthill 的方法而且有三个重要缺点:基于保角变化的翼型反设计方法只能指定需要的翼型表面速率分布作为翼型保角变换后圆角坐标的一个函数,而不是翼型表面弧长的一个函数;并且因为指定的速率分布有三个积分限,需要定义三个自由参数,会导致不合理的速率分布和不合理的翼型形状;理论本身是单点反向翼型设计方法(速率分布只能在单个攻角下获得),不满足多点反设计的需要。 20 世纪 60 年代后,随着计算机技术的发展,翼型反设计方法更多地强调通过计算机辅助翼型设计。美国 NREL 的 Eppler 和 Somers 编了一个计算机程序来实现翼型的多点反向设计。Eppler 的方法将翼型表面分块处理,在特定的攻角下,获得特定的速率分布。在此之后,Miley, Ormsbee 和 Maughmer 和 Selig 和 Maughmer 对翼型反设计方法也作出了贡献[18]。目前世界上广泛应用的翼型设计方法是应用美国麻省理工学院(MIT)Mark Drela 编写的 Xfoil 软件[19]。Xfoil 由 Mark Drela 教授在 1986 年完成 1.0 版本,后几经改进,目前已经到 6.9 版本,理论上不再继续改进。在风机专用翼型的理论和实验研究上,美国 NREL 的 Dan M. Somers 通过对 S805、S809 等翼型进行设计和实验研究,验证了 Eppler 翼型设计和分析代码的正确性,并以实验和计算结果为基础,对 Eppler 的代码进行修正,考虑层流分离气泡,改进计算模型,对因此低估的阻力系数进行修正[20]。其后,D.M. Somers 和 M.D. Maughmer 在 2002 年 6月 11 日到 10 月 31 日期间,应用 Eppler 翼型设计和分析软件和 Xfoil 软件对在小风机上的六种翼型(E387,FX63-137, S822, S834, SD2030, SH3.55)进行了理论空气动力学分析,实验雷诺数从 0.10×106到 1.0×106,结果显示两种软件计算结果一致性良好,尤其是雷诺数大于 0.10×106的时候[21]。此后,UIUC 的 Michael Selig 研究对比了 Eppler 和Xfoil 软件计算预测和 UIUC 风洞实验的结果差别和相应不同叶片设计捕获风能效率的差别,结果显示 Eppler 和 Xfoil 软件预测的翼型气动性能参数可以在一定程度上取代风洞测试,从而减少风机叶片设计成本和时间[22]。丹麦 Ris 风能重点实验室的 Franck Bertagnolio, Niels S_rensen, Jeppe Johansen 和Peter Fuglsang 对主流的风机翼型进行了风洞测试和现有实验数据收集,并把结果和二维Navier-Stokes 求解器 EllipSys2D 以及面元法软件 Xfoil 进行对比,发现计算结果和风洞播放器加载中，请稍候...
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50风力机专用翼型发展现状及其关键气动问题分析
第25卷第2期2009年2月；文章编号：（；电网与清洁能源；PowerSystemandCleanEnerg；中图分类号：TM315；Vol.25No.2；Feb.2009文献标志码：A；风力机专用翼型发展现状及其关键气动问题分析；培,杜绵银,刘杰平；（中国航天空气动力技术研究院，北京100074）；Development
第25卷第2期2009年2月文章编号：（6-05电网与清洁能源PowerSystemandCleanEnergy中图分类号：TM315Vol.25No.2Feb.2009文献标志码：A风力机专用翼型发展现状及其关键气动问题分析陈培,杜绵银,刘杰平（中国航天空气动力技术研究院，北京100074）DevelopmentStatusandKeyAerodynamicProblemsofWindTurbineDedicatedAirfoilsCHENPei,DUMian-yin,LIUJie-ping（ChinaAcademyofAerospaceAerodynamics,Beijing100074,China）ABSTRACT：Thedesignrequirementswereclarifiedandseveraldesignmethodswereintroducedforwindturbineairfoilinthispaper.Andappropriateapproachwasproposedtopredictairfoilaerodynamicperformance.3Drotationaleffectcorrectionfora2Dairfoilwasdiscussed.KEYWORDS:aerodynamicp3Drotationalcorrection摘要：介绍了风力机翼型的设计要求和主要方法，提出了预测翼型气动性能的合理途径，探讨了二维翼型气动数据的三维旋转修正问题。关键词：风力机翼型；翼型设计；气动预测；三维旋转修正能很好满足设计和使用要求，如对于失速型风力机而言，在失速区产生了过高的峰值能量和峰值载荷，不仅损坏了发电机，而且加重了叶片的载荷降低了叶片的寿命，同时由于风力机长期在野外工作，受沙尘、雨滴等作用叶片表面粗糙度增加，翼型性能迅速恶化导致的能量损失可达20％～30％。目前国外已发展了多个系列的风力机专用翼型，新翼型不但提高了风能利用效率，而且减轻了结构重量，降低了疲劳载荷，已成为研制大型高效低成本风力机的重要技术基础。目前国内风力机专用翼型的研究工作刚刚起步，因为缺乏翼型的几何和气动性能数据，直接影响了我国大型风力机自主设计水平。在风力机专用翼型的研究和开发中，还有许多基本问题亟待解决。本文首先介绍了国内外风力机专用翼型的发展现状，然后针对翼型设计和分析中的若干关键问题做了初步探讨，简述了问题的由来、相关理论和研究现状，并提出了解决方法和建议。0引言随着能源和环境问题日益突出，储量丰富、无污染和可再生的风能逐渐受到人们的重视。风电机组的核心部件―――叶片由不同厚度和扭角分布的翼型截面构成，整机的运行效率和可靠性与翼型气动性能密切相关。早期风力机叶片设计时首选的是发展比较成熟、升阻特性较好的传统航空翼型，但实践表明这些翼型并不―――――――――――――――――――基金项目：国家高级技术研究发展计划(863)(,);国家重点基础研究发展计划（973）()。1风力机专用翼型发展现状从20世纪80年代起，欧美风电发达国家开始第25卷第2期电网与清洁能源37了风力机专用翼型的设计和研究，目前主要形成了美国的NRELS系列、丹麦的RISΦ系列、瑞典的FFA-W系列和荷兰的DU系列翼型等，如图1。美国可再生能源实验室（NREL）从1984年到2002年针对失速型、变桨距和变速不同形式风机叶片的要求，设计了约35种S系列翼型[1]。这些翼型具有较大的升阻比且对粗糙度不敏感，满足叶片在叶根、叶中和叶尖等位置对翼型的不同要求。对应的叶片长度范围从几米到几十米，功率范围从几千瓦到兆瓦级。该翼型系列运用Eppler方法进行理论设计，经过了详细的风洞实验和装机测试等。据估计，相比NACA翼型采用NRELS翼型可使年能源利用率有较大改善：失速调节风力机提高23%~35%，变桨距风力机提高8%~20%，变转速风力机提高8%~10%，采用这些先进翼型极大增强了美国风力机制造商在全球市场上的竞争力。荷兰Delft大学近10a在欧洲多个计划的资助下研制了相对厚度15%~40%的15种风力机翼型,设计方法采用了XFOIL程序及经过三维和旋转效应改进的RFOIL程序，分别在Delft大学的低湍流度风洞和IAGStutgart低速风洞中进行了实验,系统研究了格尼副翼、后缘楔、涡发生器、绊线等对各种翼型气动特性的影响，给出了翼型前缘厚度和前缘分离攻角的关系，为设计程序的确认和验证提供了数据[2]。目前DU翼型被应用于欧洲10多个叶片型号，风力机直径29~100m，功率350kW~3.5MW。丹麦RISΦ国家实验室从1996年开始研制风力机专用的RISΦ系列翼型，至今已发展了RISΦ-A1、RISΦ-P和RISΦ-B1三个系列，主要设计方法是利用了CFD技术和数值优化理论，并在VELUX风洞中开展了实验验证[3]。目前这些翼型中，A1系列在600kW级风力机、P和B1系列在MW级风力机上都得到了成功的应用。瑞典航空研究院也开发了FFA-W1、FFA-W2和FFA-W3三个系列共15种翼型，该系列翼型的优点是在设计工况下具有较高的升力系数和升阻比，并且在非设计工况下具有良好的失速性能，目前世界上最大的风力机叶片生产商丹麦LM公司就在大型风力机上使用了FFA翼型。从图2两种风力机专用翼型和传统翼型在前缘粗糙情况下的气动性能对比可以看出[4]，专用翼型具有高升力和低阻力的明显优势，因此可以捕获更多的风能。图1典型风力机专用翼型图2前缘粗糙时专用翼型和传统翼型性能的比较[4]相比之下，国内在风力机专用翼型方面还比较欠缺，代表性的工作是气动中心对传统风力机叶片常用的NACA44和NACA64-4系列几种航空翼型在低雷诺数、大攻角下气动性能进行的风洞实验研究[5]，汕头大学和清华大学等对几种FFA-W3翼型进行了数值模拟和风洞实验研究。国外的翼型因为商业保密等原因不易得到相关数据，国内叶片厂只能对其进行测绘仿制。因此，风力机专用翼型研发是我国风力机发展的当务之急。2风力机翼型若干关键气动问题应用风力机专用翼型是提高风能利用效率，减轻结构重量和疲劳载荷，降低风力机叶片的制造成本最为快捷有效的途径之一。其关键气动问题包括:风力机新翼型设计要求和方法、翼型气动性能预测技术和二维翼型气动数据的三维旋转效应修正等。2.1翼型设计要求和方法翼型设计主要是满足气动和结构要求，两者之38陈培等：风力机专用翼型发展现状及其关键气动问题分析Vol.25No.2间存在很多矛盾，如高升阻比与翼型的大厚度相矛盾，较高的最大升力与前缘粗糙度的不敏感性相矛盾，所以设计过程就是在这些矛盾的要求之间找到一种最佳的折衷。翼型设计需要充分考虑功率范围、控制方式以及在叶片上的展向位置等不同要求。小风机一般采用较薄翼型，而大型风机则更青睐于厚翼型以减小风轮实度降低重量和成本。对于定桨失速型风机，需要限制叶尖最大升力系数以保证可靠的失速控制，因此翼型大攻角失速特性显得尤为重要，而变桨距风机由于可自动调节叶片攻角，所关心的主要是失速前线性段具有较大升阻比以保证在所有的风速下获得最大的功率。图3总结了不同展向位置的翼型要求：叶尖一般翼型较薄，最大升力和最小阻力都较小但升阻比较高，它必须具有较低的噪声水平；根部采用较厚翼型可以获得更大的结构刚度和几何容积、减小塔架间隙并降低桨叶重量，它可以有较高的最大升力系数，为了减小失速损失通常有较大的截面扭转角；而对于主要产生功率的75％展长附近区域，要求翼型升阻比高且对粗糙度不敏感，失速要比较平缓，在失速区内能保持较大升力。图3不同展向位置的翼型要求翼型气动设计通常有如下三种方法[6]：基于设计者经验的实验和误差方法、反设计方法和直接优化方法。根据已知的理论和实验结果，有经验的设计者能通过改变几何外形以获得需要的设计目标，这种方法的优点是在设计过程中的每一步都能获得一个真实的翼型，不利之处在于该方法费时费力，且极度依赖于设计者的直觉和经验。反设计方法在以前翼型设计中使用最为广泛，前面提到的几种典型风力机专用翼型大多是采用该方法设计的。它首先给定希望达到的气动状态（如压力分布），通过迭代求解几何和流动控制方程，逐步逼近给定的气动状态，求得满足要求的翼型。反设计方法的困难在于很难给出恰当的目标压强或速度分布，并且难以处理多学科设计问题。将求解翼型流场的计算流体力学（CFD）程序与优化程序相耦合，通过几何形状的不断修正来寻求目标函数的极值，这就是直接优化方法。该方法的主要缺点是高度优化的翼型对表面的微小变化非常敏感，此外由于要进行大量的翼型流场计算，达到收敛解需要较长的计算时间。但随着计算机能力和新算法的迅速发展，优化计算所需的计算时间已经可以接受，而多设计目标和多设计状态的优化可有效地解决同时满足多种不同要求的设计问题，是实现最优气动设计的有效方法和手段。2.2翼型气动性能预测方法得到翼型气动数据的途径主要有考虑位势流和边界层方程的粘性―无粘迭代方法、求解N-S方程的CFD方法和风洞实验等。风洞实验一般数据可靠性较高，但受实验条件和技术水平的限制，成本较高周期较长，而且获得的流场信息有限。在翼型初步设计阶段，如选型、修型等需要快速可靠评估新外形的性能，粘性―无粘迭代是翼型气动分析十分有效的方法，其典型代表XFOIL程序耦合求解位流方程和边界层方程，转捩判断基于层流稳定性理论的eN方法，可以处理自由转捩和固定转捩问题，对附着流和弱分离流有较好的预测精度，DU翼型和RISΦ翼型在设计和分析时都用到了该程序。XFOIL程序使用简单快速，但计算精度还不能满足翼型详细设计分析的需要，近年来CFD方法逐渐成为预测翼型气动性能的主流方法。CFD工作步骤一般包括建立控制方程、确定初始条件和边界条件、生成计算网格、离散方程和初边值条件、设定求解参数迭代求解离散方程和结果后处理等过程。直接求解N-S方程所需的计算条件目前还难以接受，工程上常用的是求解湍流模型封闭的雷诺平均N-S方程，即RANS方法。随来流攻角的增大翼型依次处于线性附着流区、失速发展区和深度失速区三个阶段，从图4对某风力机专用翼型气动性能预测结果来看，线性区XFOIL一定程度高估了翼型升力，而RANS方法不同湍流模型都能和实验结果很好吻合，但进入大攻角失速区以后由于流动分离的三维非定常性，无论XFOIL还是RANS方法都难以准确预测翼型气动性能。对翼型失速性能估计能力的不足主要是由预测第25卷第2期电网与清洁能源39方法本身的局限所决定的，在严重分离情况下XFOIL的理论基础―――边界层方程失效，而工程常用的RANS方法采用的时间平均和各向同性涡粘假设抹平了湍流中各种尺度和频率的脉动信息，无法分辨各向异性大涡结构的有序低频运动和近似各向同性小涡的高频随机运动，事实上这些流动结构将对翼型的升阻力起到决定性的影响。最近CFD中提出的脱体涡模拟（DES）方法为预测高雷诺数大分离流动提供了可能，该方法的思想是对大于滤波尺度的大涡运动直接求解N-S方程，而小涡对大涡运动的影响通过模型来描述。以NACA0012翼型雷诺数Re=1×106攻角α＝60°为例，比较了DES方法和非定常RANS不同湍流模型的预测结果，从图5时均压力分布系数和实验结果的比较可见，对这种深失速RANS方法预测误差较大，而DES方法结果和实验值基本一致，图6直观地表示了这两类方法得到的涡结构区别，RANS沿展向保持了很强的二维性而DES结果明显具有三维特征更符合流动实际。图4不同预估方法升阻力和风洞实验结果比较图5不同计算方法和模型时均压力系数分布和实验对照图6RANS方法和DES方法涡结构比较随着求解模型的不断完善和复杂，不同预测方法计算代价也有明显区别，DES高于RANS，而RANS又高于XFOIL。因此合理的做法是，对于翼型初步定性分析采用XFOIL程序可基本满足工程需要，若要求较精确预测翼型线性区升力可通过RANS加合适湍流模型来得到，但在大攻角失速下前两种方法基本失效，在计算条件允许的前提下可尝试使用DES方法。2.3翼型数据的三维旋转修正目前广泛应用的风力机设计和性能计算方法是基于动量―叶素理论，即假设叶片上的流动是二维的，但测量发现实际叶尖升力系数普遍低于二维翼型数据，而叶根部位升力则明显大于二维翼型值，导致计算的最大功率偏低。叶尖升力减小是由于叶尖旋涡的影响，而叶根升力偏大则主要是受叶片三维边界层的影响。当叶片旋转时离心力使叶片边界层中的气流向叶尖流动，而科氏力则使叶片产生一个附加弦向压力梯度使气流向后缘流动，这使叶片边界层减薄分离点后移，失速较二维翼型大大推迟，升力增加阻力减小，这种现象称为失速延迟[7]，最早由Himmeleskamp通过实验发现。因为三维效应的存在，必须对二维翼型气动性能数据进行修正才能更准确设计和预估风轮的性能，该问题一直是研究的一个热点。实验表明，失速延迟现象对附着流区域的影响很小而对分离流区域的影响很大，附着流区随相对展向位置和叶尖速比而变化。为了研究失速延迟现象的机理，许多研究者通过求解叶片三维边界层方程，并和实验结果进行比较提出了不同的失速延迟模型。例如Du和Snel等人选取叶片的当地实度c/r和速比λ=Ωr/u两个参数及三个经验修正系数,建立了一个三维失速延迟模型,用于翼型的二维风洞修正升力及阻力系数[8]。荷兰能源能源中心（ECN）、NLR40陈培等：风力机专用翼型发展现状及其关键气动问题分析Vol.25No.2和Delft大学在XFOIL程序积分边界层方程中加入基于Snel-Houwink桨叶旋转模型的径向流动，用当地实度c/r驱动边界层方程中的扰动项，同时将它也作为一个输入参数，开发了改善XFOIL失速预测能力并能考虑三维旋转效应的RFOIL程序。图7是RFOIL预测的叶片旋转时展向30％截面压力系数分布[2]，预测结果和实验吻合良好验证了程序的可靠性，相比二维翼型升力大大增加。因为越靠近叶片内侧三维旋转效应增加的升力越多，这也将缓和厚度较大的叶根由于粗糙度导致的升力降低。由于对失速延迟现象的机理还缺乏深入理解，且各种修正方法都有一定的局限，但可以相信采用三维旋转修正的翼型气动数据将会有效地提高风力机设计水平和预测精度。图7RFOIL预测的旋转效应下压力系数分布和测量比较[2]2.4其它关键问题除了上述翼型设计、气动性能预测和三维旋转修正等问题以外，当遇到阵风或风力机进行偏航时翼型的动态失速将对叶片的性能和载荷产生影响，这方面的理论和实验研究也十分重要；在叶片上安装增升、减阻、降噪的附加装置，如襟翼、涡发生器、振荡射流等，采用流动控制的手段进一步提高风力机性能也是目前很有前途的研究方向。3结论新型高效专用翼型的研究对于提高风力机气动性能降低制造成本具有重要意义。翼型设计要根据风力机的功率范围、控制方式、运行条件和不同展向位置的气动和结构等要求，综合运用基本理论、设计经验和现代CFD技术、优化方法等工具以确定最佳的设计方案。在初步设计和定性分析阶段，XFOIL程序是一个有力的工具，小攻角下翼型升力的精确预测可采用CFD软件的RANS加合适湍流模型方法，而大攻角失速情况下升阻力要借助DES等先进流动模拟方法才能较准确地预测。必须考虑叶片三维旋转效应对二维翼型气动性能数据进行修正，才能更准确地预测整机的气动性能和载荷。参考文献[1]TanglerJL,SomersDM.NRELairfoilfamiliesforHAWTs[R].USA：NREL/TP-442-.[2]TimmerWA,vanRooijRPJOM.Summaryofthedelftuniversitywindturbinededicatedairfoils[R].USA：AIAA,Jan,2003.[3]Fuglsang,ChristianBak.Developmentoftheris?windturbineairfoils[J].WindEnerg,-162.[4]vanRooijRPJOM，TimmerWA.Roughnesssensitivityconsiderationsforthickrotorbladeairfoils[R].USA：AIAA-,Jan,2003.[5]张维智.低雷诺数高升力翼型大攻角失速特性的实验研究[D].北京:清华大学，1995.[6]PeltonenR.Anumericalmethodforanalysisanddesignofairfoilsinsubsonicflow,ReportA-20[R].USA：LaboratoryofAerodynamics,HelsinkiUniversityofTechnology,2000.[7]贺德馨.风工程与工业空气动力学[M].北京:国防工业出版社,2006.[8]DuZ，SeligMD.A3-Dstall-delaymodelforhorizontalaxiswindturbineperformanceprediction[R].USA：AIAA-98-.―――――――――――――――――――收稿日期：。作者简介：陈培（1982―），男，硕士，研究方向为风力机空气动力学。（编辑董小兵）包含各类专业文献、专业论文、幼儿教育、小学教育、应用写作文书、文学作品欣赏、高等教育、生活休闲娱乐、行业资料、50风力机专用翼型发展现状及其关键气动问题分析等内容。
　因此,逐步掌 握核心技术,是风电设备行业发展的关键...另一类是利用翼型的升力做功, 称为升力型垂直轴...垂直轴风力机的尖速比要比水平轴的小,气动噪声也 ... 　风力发电机叶片的设计能源与环境的协调发展是实现国家...主要是设计气动性能较好的翼型与叶片并进行气动 分析...设计标准,还应考虑风电机组的具体安 装和使用情况... 　风力发电机叶片的设计 经济、 能源与环境的协调发展...及其对环境的影响问题, 其他能源的开发越来 越受到...主要是设计气动性能较好的翼型与叶片并进行气动分析。... 　风力机优化设计及气动性能 的数值模拟作者: 李晓鹤 ...我国目前对水平轴风力机专用翼型的研究还处于初步...国内的 现状及 发展趋 势 国外研究 现状及发 展... 　国外轴流通风机技术发展水平与现状概述_机械/仪表_工程...单级 性能 叶轮 与机 并由 翼型 铸铝 轴风 制作...流体动力研究所的各种轴 流通风机的气动略图及其... 　最好的风力机翼型_自然科学_专业资料。风力发电机风叶的形状直接性的影响到风力机的效率。NACA0012 翼型的截面图由于 NACA0012 是对称翼型,在下图左侧数据表中仅列... 　风力发电技术的发展现状和关键问题电气学院 自动化 ...但失速控制方式依赖于叶片独特的翼型结构,叶片本身...所承受的气动推力大,使得叶片的刚度减弱, 失速动态... 　2 国内外研究现状目前风力机朝机组单机容量大型化发展,同时成本却逐年减少。风力...2.1 研究方向目前,国内外气动特性研究的主要问题是新翼型设计、静态失速和动态... 　大型风力机调研_能源/化工_工程科技_专业资料。国内风力机发展现状调研和趋势预测...目前, 我国水平轴风力机专用翼型的研究还停留在 航空翼型阶段,对叶片荷载、气动...