风力机叶片翼型的研究现状与趋势

风力机叶片翼型的研究现状与趋势

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。风电技术复杂,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,设计良好的叶片,翼型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[1-3]。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。

一、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WortmannFX-77翼型和NASALS翼型。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。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NREL一系列报告中找到。后续的瑞典的Bj·rkA发展了FFA-W系列的翼型,荷兰代尔夫特理工大学的TimmerWA和vanRooij也对风机翼型的发展做出了贡献,发展了DU系列的翼型。20世纪90年代中期,丹麦Risφ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Risφ-A1,Risφ-P和Risφ-B1三种翼型系列。

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NACA6系列的翼型至今都在用。德国的学者Mangler(1938)和英国学者Lighthill(1945)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(1974),Ormsbee和Maughmer(1984)和Selig和Maughmer(1991)对翼型反设计方法也作出了贡献。

在风机专用翼型的理论和实验研究上,美国NREL的DanM.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。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。此后,UIUC 的MichaelSelig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。

丹麦Risφ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实验的结果差异主要体现在层湍转换模型上,并阐述了导致这些差异的转换模型机制。荷兰TU Delft的Timmer WA,van Rooij RPJOM 用Xfoil设计了DU系列的风机翼型,并对Xfoil进行改进,取名Rfoil,Rfoil对翼型最大升力系数和转动对翼型特性的影响有更好的预测能力。

二、国内发展与研究状况[3-5]

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]。而且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。

目前,国内对翼型设计分析基础理论的研究较少。在翼型优化设计这块,西北工业大学研究较为深入,但是主要针对的是航空翼型。如西北工大航空学院的朱莉和高正红《基于神经网络的翼型优化设计方法研究》等。在汕头大学能源研究所,叶枝全,黄继雄等对适用于风力机的新翼型FFA-W3-211和FFA-W3-360进行了风洞研究,得到到两种翼型不同雷诺数下的气动性能和大攻角下的失速特性。并把实验结果同Xfoil计算结果进行比较分析,升力系数平均相对偏差在5.1%,得出两者的一致性很好的结论。汕头大学能源研究所以FFA-W3翼型系列为研究对象,对系列翼型的后缘做加厚处理,用Xfoil对修改前后的翼型进行气动性能计算,并利用Viterna Corrigan失速后的模型将气动性能数据攻角扩展到90度。结果论