风力机叶片高升力系数法的气动设计研究_张同鑫

收稿日期：2012-12-20 通信作者：国家高技术研究发展（863）计划（2012AA051301） 通信作者：宋文萍（1964—），女，博士、教授，主要从事计算流体力学方面的研究。wpsong@
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太阳能学报
36 卷
叶片展向的性能和几何参数数据，如沿叶片展向的 升力系数、弦长和扭转角等的分布。PROPID 的设 计模块既可针对目标函数为单值的情况（如极值风 轮功率），又可针对目标函数为分布函数的情况（如 弦长分布等）。
第 36 卷 第２期
2015 年２月
文章编号：0254-0096（2015）02-0349-06
太阳能学报
ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA
Vol. 36, No. 2
Feb., 2015
风力机叶片高升力系数法的气动设计研究
张同鑫，宋文萍，邓 磊，许建华
（西北工业大学，翼型、叶栅空气动力学国家级重点实验室，西安 710072）
摘 要：在动量-叶素理论和 Betz 理论的基础上，结合 PROPID 软件进行功率为 1.5 MW 水平轴风力机叶片的气动
设计研究。叶片气动设计采用高升力系数法，叶片剖面采用 NPU-WA 系列高升力、高升阻比风力机专用翼型，在叶
片性能预测中采用叶尖损失、轮毂损失和 Viterna 失速模型。设计结果表明采用先进风力机翼型并运用高升力系数
21
0.50
NPU-WA-180
18
0.45
NPU-WA-150
15
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捩、雷诺数为 300 万条件下 NPU-WA 系列风力机翼
型气动特性的风洞实验数据。
叶片的载荷公式：
L = 0.5cρV 2CL
（1）
式 中 ，L —— 叶 片 的 载 荷 ；c —— 叶 片 当 地 弦 长 ；
ρ —— 空 气 密 度 ；V —— 风 速 ；CL —— 当 地 升 力 系数。
1 0.10 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50

图 2 NPU-WA 翼型气动特性的实验数据经过 三维效应修正的结果
Fig. 2
The results of experiment data of the aerodynamic characteristics of NPU-WA airfoils after
参数
数值
参数
数值
叶片数
3
切入风速/m·s-1
3
叶轮直径/m 叶片长度/m
77
切出风速/m·s-1
25
37.5
额定风速/m·s-1
≤12
额定功率/kW
1500
安装锥角（/ °）
3
桨距角（/ °）
2
塔架高度/m
100.1
表 3 叶片展向翼型的分布
Table 3 Distributions of wind turbine airfoils on the blade
目前，国内外研究人员对风力机叶片的设计做 了大量研究。Nitin Tenguria 等［5］从 Glauert 环动量 方程出发，采用最优转子理论给出一种水平轴风力 机叶片的设计方法，并用 NACA 翼型成功进行了叶 片的气动设计[5]。上海交通大学的杜朝辉和美国依 利诺大学的 S. Selig 发展了两种先进的水平轴风力 机 叶 片 气 动 计 算 和 设 计 方 法 ——PROPGA 和 PROPID，指出 PROPID 是一种基于反问题的叶片气 动设计方法，是一种实用的风力机叶片设计工具［6］。
PROPID 软件的独特之处是在进行叶片设计时 其采用的是反设计方法。具体步骤如下：
1）准备好叶片设计时所用到翼型的气动数据， 根据翼型的气动特性给定沿叶片展向的目标升力 系数分布；
2）对叶片展向的扭转角进行迭代计算得到事 先给定的沿叶片展向的目标升力系数分布；
3）对叶片展向的弦长进行迭代计算得到事先 给定的沿叶片展向的轴向诱导因子分布。
南京航空航天大学的章嘉麟等［7］采用 Hicks Henne 函数对叶片进行参数化，并采用具有并行性和全局 寻优能力的遗传算法作为数值最优化方法，对低风 速风力机叶片进行优化设计研究。
风力机叶片性能计算与设计的主要基础理论 有动量-叶素理论和 Betz 理论［8~10］，本文在此理论的 基 础 上 结 合 PROPID 软 件 ，采 用 西 北 工 业 大 学 翼 型 、叶 栅 空 气 动 力 学 国 家 级 重 点 实 验 室 设 计 的 NPU-WA 系列风力机专用翼型［11］，以 1.5 MW 水平 轴风力机叶片为例进行叶片的气动设计研究。 NPU-WA 系列风力机翼型具有较高的设计升力系 数，且可在高雷诺数、高升力条件下实现高升阻比， 是先进的风力机专用翼型。通过设计叶片与基准 叶片的对比得出以下结论：采用高升力系数法设计 风力机叶片，在设计点附近风能利用系数得到提高 的同时，能有效减小叶片的弦长，减小叶片面积，从 而减轻叶片的重量，减小叶片的载荷，降低叶片的 制造成本。
表 1 NPU-WA 系列风力机专用翼型 Table 1 The NPU-WA series wind turbine airfoils
翼型名称
相对厚度/%
后缘厚度/%
NPU-WA-400
40
3.00
NPU-WA-350
35
2.40
NPU-WA-300
30
1.70
NPU-WA-250
25
0.90
NPU-WA-210
风速使用周期内提高风力机的风能捕获能力，以增
加风力机的年发电量。因此为了减小兆瓦级风力
机叶片的弦长、减轻叶片的重量，本文选择具有高
升力、高升阻比特性的 NPU-WA 系列风力机翼型，
采用高升力系数法以充分发挥翼型的高升力优势
进行风力机叶片的气动设计研究。
3 翼型气动特性的三维效应修正
用 PROPID 软件设计和分析风力机叶片时所 需翼型的气动特性需进行三维效应的修正。本文 采用基于 EXCEL 的 AirfoilPrep_v2p2 程序 将 ［14，15］ 翼 型升阻特性进行三维效应的修正。对某个翼型的 气动特性进行三维效应修正时，需知道风力机叶片 的长度、该翼型在叶片上的站位及该翼型所在站位 处叶片的弦长等相关参数。图 2 为图 1 所示翼型 实验数据经过三维效应修正后的结果。
站位 位置
目标 升力系数
站位
位置
目标 升力系数
1 0.15
1.68
6
0.65
1.14
2 0.25
1.26
7
0.75
1.13
3 0.35
1.16
8Hale Waihona Puke 0.851.124 0.45
1.15
9
0.95
1.12
5 0.55
1.15
图 3 给出了本文设计叶片的弦长分布和扭转 角分布，并与基准叶片的比较。 r 为叶片径向某位 置到叶根的距离；R 为叶片的长度。其中，如图 3 所示，沿叶片的展向方向，本文设计叶片的弦长比基 准叶片弦长小，尤其在叶片的中段（0.3r/R~0.8r/R）部 分，相比基准叶片的弦长，设计叶片弦长减小的优 势更为明显。基准叶片的叶片面积为 68.66 m2，设 计叶片的叶片面积为 61.49 m2，设计叶片的叶片面 积较基准叶片减小了 10.4%，上述叶片面积均指从 0.05r/R 到叶尖的面积。由此可看出，本文采用高升 力系数法并用先进翼型设计的叶片具有更小的弦 长分布、更小的叶片面积，这有利于降低叶片的重 量，减小叶片的载荷，减少包括制造费用和运输成 本在内的发电成本。
法设计的大功率风力机叶片的弦长较小，叶片面积较小，有利于减轻叶片的重量，同时降低制造成本。
关键词：水平轴风力机；叶片设计；高升力系数法；RPOPID 软件
中图分类号：TK8
文献标识码：A
0引言
风 能 作 为 一 种 取 之 不 尽 、用 之 不 竭 、洁 净 无 污 染的可再生能源，已被广泛开发利用［1，2］。风力发电 是主要的风能利用形式之一。风电机组的风力机 叶片设计与制造是风电行业关键技术之一，因此研 究发展风力机叶片设计和制造技术已成为世界各 国开发风电技术重要和迫切的任务。目前国内外 在进行叶片气动设计时多采用最大升阻比法［3］，该 设计方法主要侧重于提高风力机叶片的风能利用 系数。但对兆瓦级大功率风力机叶片由于风轮的 直径较大，使用最大升阻比法有时会导致所设计叶 片的重量较大。因此本文在进行风力机叶片气动 设计时采用高升力系数法［4］，该方法主要侧重于减 小叶片的弦长，减小叶片的面积，从而减轻叶片的 重量，同时也降低了风力机叶片的制造成本。
由 式（1）可 得 出 ，当 给 定 载 荷 时 ，升 力 系 数 越
大，弦长越短。因此，大型风力机要求翼型具有更
高的设计升力，以减少叶片的实度（通过减少叶片
弦长实现叶片面积的减少），从而可减轻叶片重量、
节 约 制 造 和 运 输 成 本 ，并 减 轻 阵 风 载 荷 和 惯 性 载
荷。此外，翼型具有高设计升力有利于在低于平均
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434.0
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422.4
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325.9
表 4 给出了叶片设计时沿叶片展向的目标升 力系数分布，该目标升力系数分布是根据 NPU-WA 系列风力机翼型气动特性的风洞试验数据经过三 维效应修正后得到的。
表 4 叶片展向目标升力系数分布
Table 4 Distributions of target lift coefficient along the blade
展向位置/% 20 30 40 55 75 85 95
翼型 NPU-WA-400 NPU-WA-350 NPU-WA-300 NPU-WA-250 NPU-WA-210 NPU-WA-180 NPU-WA-150
相对厚度/% 雷诺数 Re /万
40
343.8
35
420.6
30
438.4
25
432.2
characteristics of NPU-WA airfoils
2期
张同鑫等：风力机叶片高升力系数法的气动设计研究
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NPU-WA-150
NPU-WA-180
NPU-WA-210
0
NPU-WA-250
NPU-WA-300
NPU-WA-350
NPU-WA-400
1 基于 PROPID 的风力机叶片设计
PROPID［12，13］是在性能预测程序 PROP 的基础 上发展的用于设计和分析水平轴风力机叶片的计 算软件。PROPID 的分析模块既可得到整个风轮的 性能，如风轮的功率和风速的关系、功率系数和叶 片尖速比 TSR（tip-speed ratio）的关系等，又可得到
从 而 得 到 叶 片 的 弦 长 和 扭 转 角 分 布 ，在 通 过 PROPID 软件中的分析模块得到设计叶片的功率系 数 等 性 能 参 数 。 在 给 定 翼 型 气 动 数 据 后 ，PROPID 软件便可对风力机叶片进行高效准确的气动反设 计研究。
2 NPU-WA 系列风力机翼型族
NPU-WA 系列风力机专用翼型族是西北工业 大学翼型、叶栅空气动力学国家级重点实验室针对 兆瓦级大型风力机研究开发的，其具有优良的高雷 诺数和高升力气动性能。翼型的名称、相对厚度以 及后缘厚度如表 1 所示。该系列风力机翼型在 NF-3 低速翼型风洞中进行了从 100 万到 500 万的 5 个 不同雷诺数的风洞实验，与已有国外风力机翼型较 低 雷 诺 数 实 验 数 据 相 比 ，给 出 了 具 有 更 高 雷 诺 数 的、更完整的气动性能实验数据。图 1 为在自由转
three-dimensional effect correction
4 算例与分析
为了验证本文所采用的高升力系数设计方法 的有效性，采用某 1.5 MW 风力机叶片（以下称基准 叶片）的设计指标进行高升力系数分布的风力机叶 片气动设计研究，并将设计叶片的弦长和功率系数 与现有的 1.5 MW 基准叶片进行比较。
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NPU-WA-150 NPU-WA-180 NPU-WA-210 NPU-WA-250 NPU-WA-300 NPU-WA-350 NPU-WA-400
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图 1 NPU-WA 翼型气动特性的实验数据
Fig. 1 The experiment data of the aerodynamic
采用高升力系数法设计风力机叶片可有效减 小叶片的弦长。高升力系数法主要体现在叶片展 向目标升力系数分布的确定上，目标升力系数分布 根据叶片剖面所用翼型的气动特性确定。在给定 叶片展向的目标升力系数分布时，尽量使叶片工作 在高升力环境下，从而达到减小设计叶片的弦长， 减小叶片载荷，减轻叶片重量的目的。
设计参数如表 2 所示。表 3 给出了本文在设 计 1.5 MW 风力机叶片时沿叶片展向的剖面翼型分布， 以及风速为 8.5 m/s、风力机叶片转速为 17.93 r/min 时叶片上各翼型所在站位处的雷诺数。
表 2 1.5 MW 风力机的设计参数
Table 2 Design parameters of wind turbine with a power of 1.5 MW