NPU_WA系列风力机翼型设计与风洞实验_乔志德

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丹麦 Ｒ Ｉ Ｓ 国家实验室在９ ０年代后期发展了由 ， Ｒ Ｉ Ｓ －Ａ １ １ ８Ｒ Ｉ Ｓ －Ａ １ ２ １和 Ｒ Ｉ Ｓ －Ａ １ ２ ４三个翼型 － － － 在２ 组成的 Ｒ Ｉ Ｓ 风力 机 翼 型 系 列 ， ０ ０ ０年之后针对 大型风力机设计了具有更高设计升力的 Ｒ Ｉ Ｓ － Ｂ １族 翼型
０卷 第２期 第３
０ １ ２年４月 ２
空 气 动 力 学 学 报 Ｖ ｏ ｌ ． ３ ０，Ｎ ｏ ． ２ ， Ａ Ｃ Ｔ Ａ Ａ Ｅ Ｒ Ｏ Ｄ Ｙ Ｎ ＡＭ Ｉ Ｃ Ａ Ｓ Ｉ Ｎ Ｉ Ｃ Ａ Ａ ｒ ． ２ ０ １ ２ ｐ 欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟
第 ２ 期 乔志德等 ： Ｎ Ｐ Ｕ－ＷＡ 系列风力机翼型设计与风洞实验
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使用周期内提高风能捕获能力 ， 以增加风力机的年发 大型风力机翼型应该在在更高的 电量 。 由上述可见 ， 雷诺数和更高的设 计 升 力 下 具 有 更 好 的 空 气 动 力 特 性 。 目前国内外风力 机 翼 型 的 设 计 升 力 系 数 大 都 小 于 １． 除 个 别 翼 型 外， 风力机翼型族的实验雷诺数 ０，
表 １ 不同相对厚度翼型的后缘厚度 Ｔ ａ ｂ ｌ ｅ １ Ｔ ｒ ａ ｉ ｌ ｉ ｎ ｅ ｄ ｅ ｔ ｈ ｉ ｃ ｋ ｎ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ａ ｉ ｒ ｆ ｏ ｉ ｌ ｓ ｗ ｉ ｔ ｈ ｇ ｇ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｔ ｈ ｉ ｃ ｋ ｎ ｅ ｓ ｓ
１ Ｎ Ｐ Ｕ－ＷＡ 翼型设计方法
在风力机翼型 设 计 中 综 合 使 用 了 课 题 组 多 年 来 研究发展的翼型设计与计算方法 ， 这些方法的详细描 这里简介如下 ： 述见所给出的相应参考文献 ， ）反设计方法 １ （ ［ １ ３］ 用 按给定 目 标 压 力 分 布 的 翼 型 反 设 计 方 法 ， 或较低设计升力系数） 时的目标压 于给定较小迎角 （ 力分布设计翼 型 ；基 于 亚 声 速 速 势 方 程 的 混 合 边 界
６ 。 中， 叶片大部分剖面雷诺数都超过 ５． ０×１ ０
， 自从 １ 西欧和美国 ９ ８ ０ 年 代 后 期 以 来，
进行了专门用 于 风 力 机 的 先 进 翼 型 设 计 研 究 ，瑞 典 、 宇航研 究 院 ２ ０世纪９ ０年代设计了 Ｆ Ｆ Ａ－Ｗ ３ ２ １ １ － 荷兰 Ｆ Ｆ Ａ－Ｗ ３ ２ ４ １和 Ｆ Ｆ Ａ－Ｗ ３ ３ ０ １ 三个较厚的翼型 ， － － Ｄ ｅ ｌ ｆ ｔ大学在 １ ９ ９ ２ 年和 １ ９ ９ ３ 年设计了相对厚度分别 为２ ５％ 、 ２ １％ 的 ＤＵ ９ １－Ｗ ２ ２ ５ ０ 和 ＤＵ ９ ３－Ｗ ２ ２ １ ０翼 － － 型， 此后 设 计 了 相 对 厚 度 分 别 为 １ ８％ 的 ＤＵ ９ ５－Ｗ－ １ ８ ０、 ＤＵ ９ ６－Ｗ－ １ ８ ０翼型和３ ０％ 的 ＤＵ ９ ７－Ｗ－ ３ ０ ０翼 形成了相对厚度 １ 型， ８％ 到 ４ ０％ 的 ＤＵ 翼型系列
６ ， 都没有超过 ３． 所以研究发展经过实验验证 ０×１ ０
修形后翼型的气动特性计算检验修改效果 ， 由于优化 所以允许较大修改 方法难以使翼型外形有大的改变 ， 量的人 －机对话修 形 是 优 化 方 法 的 必 要 补 充 ， 同时也 是进行适当修形以满足非设计条件的补充手段 。 ）校核计算方法 － ４ （ 对使用上述方 法 设 计 的 翼 型 进 行 设 计 条 件 和 非
［ ３］
４次 风力机叶片的重 量 和 费 用 正 比 于 半 径 的 ２． 方， 而发电量正比于 风 力 机 半 径 的 平 方 ， 所以随风力 机功率增加 ， 风力机 尺 寸 将 会 有 更 快 的 增 加 ， 更大的 尺寸意味着更高的 运 行 雷 诺 数 、 更 大 的 重 量、 更大的 阵风风载及伴随 的 振 动 和 疲 劳 限 制 。 因 此 大 型 风 力 机叶片的主要技术 要 求 是 ： 减 少 叶 片 重 量， 以减少包 括制造费用和运输成本在内的发电成本 ， 减少惯性载 阵风载荷以及相 应 的 系 统 载 荷 ； 并提高叶片的风 荷、 能捕获能力 。 由于大 型 风 力 机 运 行 工 况 下 叶 片 主 要 剖面具有很高的雷诺数 ， 因此要求翼型在高雷诺数时 具有高的气动性能 ， 此 外， 大型风力机还要求翼型具 这是因为高设计升力可以减少实 有更高的设计升力 ， 度（ 减少叶片弦长 ） 以减少叶片面积 ， 从而可以减少叶 节约制造和 运 输 成 本 ， 并减轻阵风载荷和惯 片重量 、 性载荷 ； 还有 ， 高设计升力有 利 于 在 低 于 平 均 风 速 的
（ ） 文章编号 ： ０ ２ ５ ８ １ ８ ２ ５ ２ ０ １ ２ ０ ２ ０ ２ ６ ０ ０ ６ － － －
Ｎ Ｐ Ｕ－ＷＡ 系列风力机翼型设计与风洞实验
乔志德 ， 宋文萍 ， 高永卫
（ ） 西北工业大学 ，翼型 、 叶栅空气动力学国家重点实验室 ，陕西 西安 ７ １ ０ ０ ７ ２ 摘 要： 针对兆瓦级大型风力机 ， 研究 发 展 了 以 具 有 更 优 良 高 雷 诺 数 和 高 升 力 气 动 性 能 为 特 点 的 Ｎ Ｐ Ｕ－ＷＡ 翼 型 风洞实验表明 ， 该翼型族达到了在高雷诺数 、 高升力条件下实现高升阻比和外 侧 翼 型 对 粗 糙 度 不 敏 感 的 主 要 设 族，
１ ５％ ０． ５ １ ８％ ０． ４ ５ ２ １％ ０． ５ ２ ５％ ０． ９ ３ ０％ １． ７ ３ ５％ ２． ４ ４ ０％ ３． ０
力分布 ， 部分表面给定几何外形的设计要求设计翼
［３］ ， 型； 用于大迎角（ 或高升 Ｎ－ Ｓ方程翼型设计方法 １
力） 条件下 ， 给定目标压力分布设计翼型 ， 适用于各种 迎角和雷诺数 。 ）翼型优化设计方法 ２ （ Ｓ方 通过采用多目标 优 化 方 法 基 于 雷 诺 平 均 Ｎ－ ［ ］ ９ １ ０ － 、 程 低速线化速势方程或 跨 声 速 全 速 势 方 程 － 附 面层迭代方 法 进 行 优 化 设 计
７］ ， 条件翼型设计方法 ［ 用于根据部分表面给定目标压
２ Ｎ Ｐ Ｕ－ＷＡ 翼型族翼型的名称和几何 外形
Ｐ Ｕ－ＷＡ 风 力 机 翼 型 族 的 几 何 外 图 ２ 给 出 了 Ｎ 形， 根据设计技术要 求 ， 该风力机翼型族的相对厚度 分别为 ０． １ ５、 ０． １ ８、 ０． ２ １、 ０． ２ ５、 ０． ３ ０、 ０． ３ ５ 和 ０． ４ ０弦 、 长， 共７ 个 翼 型， 分 别 被 命 名 为： Ｎ Ｐ Ｕ－Ｗ Ａ－ １ ５ ０ Ｎ Ｐ Ｕ － 、Ｎ 、Ｎ 、Ｎ Ｗ Ａ－ １ ８ ０ Ｐ Ｕ－Ｗ Ａ－ ２ １ ０ Ｐ Ｕ－Ｗ Ａ－ ２ ５ ０ Ｐ Ｕ－Ｗ Ａ－ 、 。 ３ ０ ０Ｎ Ｐ Ｕ－Ｗ Ａ－ ３ ５ ０和 Ｎ Ｐ Ｕ－Ｗ Ａ－ ４ ０ ０ Ｎ Ｐ Ｕ－Ｗ Ａ 翼型 编号最后三位数字中的前两位表示相对厚度 ， 最后一 位“ 零” 表示该翼型为初次设计 ， 若为第一次修改设计 以此类推 。 编号中的 “ 表示该翼型族是 则为 １， Ｎ Ｐ Ｕ” “ 由西北工业大学研究发展的 ， 表示该翼型族是 ＷＡ” 为风力 机 设 计 的 专 用 翼 型 。 弦 长 Ｃ 为 １ 不同 ０ ０ 时， 相对厚度翼型的后缘厚度见表 １。
［ ４］
。 但上述翼型缺乏较高雷诺数下的实验验证 ，
目前还主要用于中 、 小风力机叶片设计 。 开展 ９ ８ ４ 年美国可 再 生 源 国 家 实 验 室 （ ＮＲ Ｅ Ｌ） １ 了风力机翼型族的设计研究 ， 到９ 为各类风力 ０ 年代 ， 从 根 部 到 叶 尖 的， 能适应结构 机发展了不同性能 的 ， 要求的 ９ 个翼型族
６ 到 ５． Ｎ Ｆ ３ 低速 翼 型 风 洞 中 进 行 了 从 １． ０×１ ０ ０× － ６ 与已有国外风力 １ ０ 的 ５ 个不同雷诺数 的 风 洞 实 验 ，
设计条件下的校核计 算 ， 在小迎角（ 或低升力） 时， 主 在大迎角（ 或高升力） 使用 要使用 Ｘ Ｆ Ｏ Ｉ Ｌ 计算软件 ， 课题组研究发展的雷诺平均 Ｎ－ Ｓ 方程计算方法 。 Ｐ Ｕ－ＷＡ ２ １ ０ 翼型在设计工 图１ 给出所设计的 Ｎ － 况下压力分布与国外同类风力机翼型的比较 。
给出具有更高雷诺 机翼型较低雷诺数实验数据相比 ， 数的 、 更完整的气动性能实验数据 。
图 １ 设计升力和设计雷诺数下 Ｎ Ｐ Ｕ－ＷＡ ２ １ ０ 翼型与 － 其他风力机翼型压力分布计算比较 ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ Ｆ ｉ ． １ Ｃ ｏ ｍ ａ ｒ ｉ ｓ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｐ ｇ ｐ ｇ Ｎ Ｐ Ｕ－ＷＡ ２ １ ０ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｏ ｔ ｈ ｅ ｒ ａ ｉ ｒ ｆ ｏ ｉ ｌ ｓ －
６ ６ 计要求 ， 为我国自主研发大型风力机提供了可以实际使用的翼型几何数据和雷诺数范围内 １． 的 ０×１ ０ ０×１ ０ ～５．
风洞实验数据 。 关键词 ： 翼型设计 ； 风洞实验 Ｎ Ｐ Ｕ－ＷＡ 翼型族 ； 中图分类号 ： Ｔ Ｋ ８ ３ 文献标识码 ： Ａ
０ 引 言
风力机叶片设 计 是 风 力 发 电 机 组 设 计 的 一 项 核 心技 术 ， 构 成 叶 片 的 翼 型 是 叶 片 设 计 的 基 础， ２ ０世 纪９ 风力 机 叶 片 设 计 通 常 使 用 已 有 的 传 ０ 年代以前 ， 如４ 位数字 ＮＡ 统 翼型 ， Ｃ Ａ ４ ４ 系列和 ＮＡ Ｃ Ａ ６ ３ 或６ ４ 系列翼型
［ ２， ５］
， 这些新翼型的采用 ， 使风电机
； ２ ０ １ １ １ ０ ２ １ ２ ０ １ １ １ ２ ３ ０ ＊ 收稿日期 ： － － 修订日期 ： － － （ ） 基金项目 ： 国家高技术研究发展计划 （ ８ ６ ３ 计划 ） ２ ０ ０ ７ ＡＡ ０ ５ Ｚ ４ ４ ８ ，男 ， ： 作者简介 ： 乔志德 （ 西北工业大学教授 ， 博士生导师 ， 主要从事翼型 、 机翼设计与计算空气动力学研究 ． １ ９ ３ ６ Ｅ ａ ｉ ｌ ｚ ｄ ｉ ａ ｏ ｗ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ －） －ｍ ＠ｎ ｑ ｐ
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的高雷诺数 、 高设计 升 力 风 力 机 翼 型 族 ， 可以导致设 计出具有创新性的高性能大型风力机叶片 。 我国过去缺乏 以 厚 翼 型 为 特 点 的 风 力 机 翼 型 设 计与计算方法研究 ； 缺乏可减轻风力机叶片阵风过载 的翼型设计与计算方法研究 ， 也没有开展风力机翼型 族的设计研究 ， 没有具有知识产权的风力机翼型族 ， 特 别是没有可供兆瓦级和多兆瓦级大型风力机叶片设计 使用的翼型族 ， 严重影响了我国风电工业的发展 。 Ｐ Ｕ－ＷＡ 风力机翼型族是针对变距或变转速大 Ｎ 型风力机叶片 ， 使用 计 算 流 体 力 学 方 法 设 计 的 ， 并在
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组年发电量增加了 １ ０％ ～３ ５％ 。 由 于 是 针 对 当 时 的 小型风力机设计 的 ， 其设计升力和最大升力系数 中、 都不很高 。 ａ ｎ ｄ ｉ ａ国 家 实 验 室 在 ２ ０ ０ ４年发表了大型 美国 Ｓ ６］ ， 风力机创新叶片的设计技术报告 ［ 提出了把新翼型 作为 ４ 项关键技术 之 一 的 大 型 风 力 机 叶 片 创 新 设 计 新概念 ， 所有 ４ 项关 键 技 术 都 指 向 一 个 主 要 目 标 ： 在 减少叶片重量 。 所 获得高空气动力学性能的条件下 ， 直径１ 提出的一个 ２． ４ ＭＷ， ０ ４ ｍ 的风力机设计方案