CN101886619B - 风力发电机叶尖专用翼型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机叶尖专用翼型，本基于翼型型线优化设计模型，以parsec翼型表达方法的9个控制参数为变量，设计出适用于叶片叶尖的翼型型线，在正常工作攻角范围内，具有很高的升力系数和升阻比，其失速性能非常平缓，并且具有很好的前缘粗糙度不敏感性，使得风力机即使在前缘结冰或被污染的情况下依然能够正常工作，很好的适应了风力机叶片叶尖部分的气动性能要求。

Description

风力发电机叶尖专用翼型

技术领域

本发明涉及一种风力机部件，特别涉及一种风力发电机叶尖专用翼型。

背景技术

风能作为一种绿色能源，是解决能源问题、改善生态环境和减少二氧化碳排放的有效手段。风力机是将风能转化为电能等能源的中间设备，风力机依靠风轮叶轮汲取风能，叶轮的叶片翼型的气动性能直接影响着风力机风能利用的效率。

由于三维效应的影响，风力机叶片的叶尖区域往往产生复杂的流动现象，特别是叶尖涡的产生会使速度亏损值增加，风轮功率下降。在不增大风力机叶轮直径的情况下，对于风力机叶尖翼型性能的研究对提高风力机的发电功率有着非常重要的影响。

研究表明：对于大型风力机来说，具有较大的最大升力系数的翼型对减小风轮实度，增大启动力矩都有积极的作用。为使风力机的年输出功率得到提高，使单位发电量成本降低，在风力机叶片的叶尖部分应该使用拥有较高的最大升力系数的翼型。同时风力机翼型的阻力系数应该保持在一个较低的范围内，这体现为较高的升阻比系数。并且，由于叶尖翼型的失速特性对整个叶轮的动力学性能会产生巨大的影响，从而又影响到整个叶轮的结构设计，所以叶尖翼型的失速特性显得十分重要。为了减小叶片的气动力激励，如失速震颤等，应当使用具有较平缓失速性能的翼型。风力机风轮直径越大，高升力且拥有平缓失速性能的叶尖翼型就显得越为重要。另外，由于风力机叶片表面容易受到粉尘污染、昆虫污染、结冰和风蚀而破坏表面光洁度，使叶片表面变得粗糙，特别当翼型前缘粗糙时将导致翼面边界层转捩位置前移，转捩后边界层厚度增加，减少了翼型的弯度，从而减小最大升力系数，严重影响翼型的气动特性，所以还应该考虑翼型的前缘粗糙度敏感性。

然而，失速性能平缓的翼型的最大升力系数一般都比较小，而具有较大的最大升力系数的翼型又往往具有十分尖锐的失速性能。而即使两者都能够达到设计要求，翼型的气动性能仍有可能受到较大阻力系数或前缘粗糙度的影响。

因此，目前需要提出一种具有较大的最大升力系数，最大升阻比，失速性能平稳，而且前缘部分粗糙度增加后依然能够保持良好气动性能的叶尖翼型，以适用于风力发电机叶片。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种风力发电机叶尖专用翼型，具有较大的最大升力系数，最大升阻比，失速性能平稳，而且前缘部分粗糙度增加后依然能够保持良好气动性能的叶尖翼型，以适用于风力发电机叶片。

本发明的一种风力发电机叶尖专用翼型，翼型采用PARSEC翼型表达方法，方程为

其中k＝1时表示上翼面，k＝2时表示下翼面，为翼面Z轴坐标，X为弦长方向的位置，

为决定翼型形状的参数；将参数0.01＜r＜0.16、0.1＜X_up＜0.5、0.02＜Z_up＜0.3、0＜Z_xxup＜4、0.1＜X_dw＜0.5、0.05＜Z_dw＜0.3、0＜Z_xxdw＜5、0°＜θ＜30°和5°＜β＜30°代入可得以下2组6元方程组：

方程组一

$a_1^1=\sqrt{2r}$

$Z_{\mathrm{PARSEC}}^1{|}_{x=1}=0$

$Z_{\mathrm{PARSEC}}^1{|}_{x=X_{\mathrm{up}}}=Z_{\mathrm{up}}$

$\frac{{\∂Z}_{\mathrm{PARSEC}}^1}{\∂x}{|}_{x=X_{\mathrm{up}}}=0$

$\frac{{\∂Z}_{\mathrm{PARSEC}}^1}{\∂x}{|}_{x=1}=-\tan (\mathrm{\θ}+\mathrm{\β}/2)$

$\frac{{\∂}^2{Z}_{\mathrm{PARSEC}}^1}{{\∂x}^2}{|}_{x=X_{\mathrm{up}}}{=Z}_{\mathrm{xxup}}$

将参数r、X_up、Z_up、Z_xxupθ和β代入方程组一，求出系数

将求得的

代入

即得上翼面型线；

方程组二

$a_1^2=\sqrt{2r}$

$Z_{\mathrm{PARSEC}}^2{|}_{x=1}=0$

$Z_{\mathrm{PARSEC}}^2{|}_{x=X_{\mathrm{dw}}}=Z_{\mathrm{dw}}$

$\frac{{\∂Z}_{\mathrm{PARSEC}}^2}{\∂x}{|}_{x=X_{\mathrm{dw}}}=0$

$\frac{{\∂Z}_{\mathrm{PARSEC}}^2}{\∂x}{|}_{x=1}=-\tan (\mathrm{\θ}+\mathrm{\β}/2)$

$\frac{{\∂}^2{Z}_{\mathrm{PARSEC}}^2}{{\∂x}^2}{|}_{x=X_{\mathrm{dw}}}=Z_{\mathrm{xxdw}}$

将r、X_dw、Z_dw、Z_xxdw、θ和β代入方程组一，求出系数

将求得的

代入

即得下翼面型线；

r-前缘半径；X_up--上翼面型线当Z坐标值取最大值时对应的X方向坐标值；Z_up--上翼面型线的Z坐标最大值；Z_xxup--上翼面型线当Z坐标取最大值时对应的曲率；X_dw--下翼面型线当Z坐标值取最小值时对应的X方向坐标值；Z_dw--下翼面型线的Z坐标最小值；Z_xxdw--下翼面型线当Z坐标取最小值时对应的曲率；θ--翼型尾缘处方向角；β--翼型尾缘角。

进一步，将

的解集的个数限制为

的解集的个数限制为

的解集的个数限制为

的解集的个数限制为

进一步，翼型在Z方向上的厚度与X方向的弦长之比值为

其中，C为X方向的弦长；

进一步，所述翼型优化模型采用基于非支配排序的NSGA Ⅱ遗传算法，设置初始种群大小c＝50，最大进化代数g＝30，交叉概率为P_c＝1，变异概率为P_m＝0.1。

本发明的有益效果：本发明的风力发电机叶尖专用翼型，基于翼型型线优化设计模型，以PARSEC翼型表达方法的9个控制参数为变量，设计出适用于叶片叶尖的翼型型线，在正常工作攻角范围内，具有很高的升力系数和升阻比，其失速性能非常平缓，并且具有很好的前缘粗糙度不敏感性，使得风力机即使在前缘结冰或被污染的情况下依然能够正常工作，很好的适应了风力机叶片叶尖部分的气动性能要求。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明的翼型图；

图2为本发明翼型的升力系数随攻角的变化曲线；

图3为本发明翼型的升阻比随攻角的变化曲线。

具体实施方式

图1为本发明的翼型图，图2为本发明翼型的升力系数随攻角的变化曲线，图3为本发明翼型的升阻比随攻角的变化曲线，如图所示：本实施例的风力发电机叶尖专用翼型，翼型采用PARSEC翼型表达方法，方程为

其中k＝1时表示上翼面，k＝2时表示下翼面，

为翼面Z轴坐标，X为弦长方向的位置，

为决定翼型形状的参数；将参数0.01＜r＜0.16、0.1＜X_up＜0.5、0.02＜Z_up＜0.3、0＜Z_xxup＜4、0.1＜X_dw＜0.5、0.05＜Z_dw＜0.3、0＜Z_xxdw＜5、0°＜θ＜30°和5°＜β＜30°代入

可得以下2组6元方程组：

方程组一

$a_1^1=\sqrt{2r}$

$Z_{\mathrm{PARSEC}}^1{|}_{x=1}=0$

$Z_{\mathrm{PARSEC}}^1{|}_{x=X_{\mathrm{up}}}=Z_{\mathrm{up}}$

$\frac{{\∂Z}_{\mathrm{PARSEC}}^1}{\∂x}{|}_{x=X_{\mathrm{up}}}=0$

$\frac{{\∂Z}_{\mathrm{PARSEC}}^1}{\∂x}{|}_{x=1}=-\tan (\mathrm{\θ}+\mathrm{\β}/2)$

$\frac{{\∂}^2{Z}_{\mathrm{PARSEC}}^1}{{\∂x}^2}{|}_{x=X_{\mathrm{up}}}=Z_{\mathrm{xxup}}$

将参数r、X_up、Z_up、Z_xxup、θ和β代入方程组一，求出系数

将求得的

代入

即得上翼面型线；

方程组二

$a_1^2=\sqrt{2r}$

$Z_{\mathrm{PARSEC}}^2{|}_{x=1}=0$

$Z_{\mathrm{PARSEC}}^2{|}_{x=X_{\mathrm{dw}}}=Z_{\mathrm{dw}}$

$\frac{{\∂Z}_{\mathrm{PARSEC}}^2}{\∂x}{|}_{x=X_{\mathrm{dw}}}=0$

$\frac{{\∂Z}_{\mathrm{PARSEC}}^2}{\∂x}{|}_{x=1}=-\tan (\mathrm{\θ}+\mathrm{\β}/2)$

$\frac{{\∂}^2{Z}_{\mathrm{PARSEC}}^2}{{\∂x}^2}{|}_{x=X_{\mathrm{dw}}}=Z_{\mathrm{xxdw}}$

将r、X_dw、Z_dw、Z_xxdw、θ和β代入方程组一，求出系数

将求得的

代入

即得下翼面型线；

r-前缘半径；X_up--上翼面型线当Z坐标值取最大值时对应的X方向坐标值；Z_up--上翼面型线的Z坐标最大值；Z_xxup--上翼面型线当Z坐标取最大值时对应的曲率；X_dw--下翼面型线当Z坐标值取最小值时对应的X方向坐标值；Z_dw--下翼面型线的Z坐标最小值；Z_xxdw--下翼面型线当Z坐标取最小值时对应的曲率；θ--翼型尾缘处方向角；β--翼型尾缘角。

本实施例中，为避免由于PARSEC方法可能导致的不规则形状的出现，对生成的函数进行约束：将

的解集的个数限制为

的解集的个数限制为

的解集的个数限制为

的解集的个数限制为

本实施例中，图1中纵坐标为翼型在Z方向上的厚度与X方向整个翼型弦长之比值为

横坐标为X方向翼型各点的坐标与X方向整个翼型弦长之比值

其中，C为X方向的整个翼型弦长；使得本发明的翼型适用于叶片的叶尖部分。

本实施例中，翼型为工作在大中型风力机叶尖部分的翼型，选择设计工况为雷诺数Re＝3.8×10⁶，马赫数Ma＝0.15。在翼型的设计过程中，选取PARSEC方法中的9个参数作为控制变量；

翼型的目标函数定义为：升力系数Cl、阻力系数Cd及失速特性Δ；

翼型在自由转捩条件下的最大升力系数Cl_FT、最大升阻比Cl/Cd_FT以及失速特性Δ_FT；其中，失速特性通过最大升阻比附近的平方均差来表示：其中i为升阻比Cl/Cd取得最大值时对应的攻角a的取值。

考虑翼型的前缘粗糙度敏感性，将强制转捩条件下的最大升力系数Cl_CT、最大升阻比Cl/Cd_CT以及失速特性Δ_CT也纳入优化模型的目标函数中去。

于是，优化模型的目标函数总共为6个：Cl_FT，Cl/Cd_FT，Δ_FT，Cl_CT，Cl/Cd_CT，Δ_CT。

优化模型采用基于非支配排序的NSGAII遗传算法，设置初始种群大小c＝50，最大进化代数g＝30，交叉与变异概率分别为P_c＝1，P_m＝0.1。

经过30代的优化得到一系列翼型。这里给出了在Z方向上的厚度与X方向的弦长的最大比值为0.1487的翼型，生成该翼型的PARSEC参数如下表：

r	Xup	Zup	Zxxup	Xdw	Zdw	Zxxdw	θ	β
									0.020664	0.35	0.085616	1.2605	0.24	-0.066051	2.0055	11.85	7.4244

该翼型的几何参数如下表：

前缘半径	最大厚度	最大厚度发生位置(X方向)	最大弯度	最大弯度发生位置(X方向)
					0.020664	0.14871	0.26	0.040884	0.66

使用XFOIL软件作为流体求解器，对本发明提出的翼型的气动性能进行了计算分析。雷诺数Re＝3.8×10⁶时，该翼型在自由转捩和强制转捩情况下的Cl_FT，Cl/Cd_FT，Δ_FT，Cl_CT，Cl/Cd_CT，Δ_CT见下表：

翼型的基本气动性能：

	最大升力系数Cl	最大升阻比Cl/Cd	失速特性平方差
				自由转捩	2.0211	116.49	23.688
强制转捩	2.0211	116.49	122.29

自由转捩气动性能：

攻角	升力系数	阻力系数	升阻比
				0	0.5139	0.00557	92.262
1	0.6241	0.00611	102.14
				2	0.7336	0.00672	109.17
3	0.8421	0.00742	113.49
				4	0.9484	0.00826	114.82
5	1.054	0.00914	115.32
				6	1.1589	0.00998	116.12
7	1.2627	0.01084	116.49
				8	1.3646	0.01172	116.43
9	1.4637	0.01271	115.16
				10	1.5593	0.0138	112.99
11	1.6501	0.01502	109.86
				12	1.7345	0.01638	105.89
13	1.8005	0.01788	100.7
				14	1.8596	0.01964	94.684
15	1.9096	0.02211	86.368
				16	1.9551	0.02513	77.799
17	1.9899	0.02927	67.984
				18	2.0109	0.03521	57.112
19	2.0211	0.04331	46.666
				20	2.0122	0.05538	36.334

强制转捩气动性能表：

攻角	升力系数	阻力系数	升阻比
				0	0.4926	0.00762	64.646
1	0.6067	0.00781	77.682
				2	0.7202	0.00805	89.466
3	0.8329	0.00833	99.988
				4	0.9448	0.00863	109.48
5	1.054	0.00914	115.32
				6	1.1589	0.00998	116.12
7	1.2627	0.01084	116.49
				8	1.3646	0.01172	116.43
9	1.4637	0.01271	115.16
				10	1.5593	0.0138	112.99
11	1.6501	0.01502	109.86
				12	1.7345	0.01638	105.89
13	1.8005	0.01788	100.7
				14	1.8596	0.01964	94.684
15	1.9096	0.02211	86.368
				16	1.9551	0.02513	77.799
17	1.9899	0.02927	67.984
				18	2.0109	0.03521	57.112
19	2.0211	0.04331	46.666
				20	2.0122	0.05538	36.334

由以上三个表可见，本发明的翼型拥有较大的最高升力系数2.0122。当攻角为7°时，拥有最大升阻比116.49。由于在攻角大于5°以后，自由转捩的转捩发生点与强制转捩相同，导致其气动性能没有差别，所以该翼型具有十分良好的粗糙度不敏感性。自由转捩与强制转捩两种情况下的失速特性平方差都较小，分别为23.688和122.29；而且由图3也可直观的看出，该翼型的升阻比在最大升阻比附近的变化非常平稳。综上所述，本发明的翼型基于以上的翼型型线优化设计模型，以PARSEC翼型表达方法的9个控制参数为变量，以自由转捩和强制转捩条件下的最大升力系数、最大升阻比以及失速特性为目标函数，基于NSGA Ⅱ遗传算法，完全符合NREL所提出的风力发电机叶片叶尖翼型的要求。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种风力发电机叶尖专用翼型，其特征在于：翼型采用PARSEC翼型表达方法，方程为 

其中k＝1时表示上翼面，k＝2时表示下翼面， 

为翼面Z轴坐标，X为弦长方向的坐标， 

为决定翼型形状的参数；将参数0.01＜r＜0.16、0.1＜X_up＜0.5、0.02＜Z_up＜0.3、0＜Z_xxup＜4、0.1＜X_dw＜0.5、0.05＜Z_dw＜0.3、0＜Z_xxdw＜5、0°＜θ＜30°和5°＜β＜30°代入 

可得以下2组6元方程组：

方程组一

将参数r、X_up、Z_up、Z_xxup、θ和β代入方程组一，求出系数 

将求得的 

代入 

即得上翼面型线；

方程组二

将r、X_dw、Z_dw、Z_xxdw、θ和β代入方程组一，求出系数 

将求得的 

代入 

即得下翼面型线；

r-前缘半径；X_up--上翼面型线当Z坐标值取最大值时对应的X方向坐标值；Z_up--上翼面型线的Z坐标最大值；Z_xxup--上翼面型线当Z坐标取最大值时对应的曲率；X_dw--下翼面型线当Z坐标值取最小值时对应的X方向坐标值；Z_dw--下翼面型线的Z坐标最小值；Z_xxdw--下翼面型线当Z坐标取最小值时对应的曲率；θ--翼型尾缘处方向角；β--翼型尾缘角；

将 

的解集的个数限制为 

的解集的个数限制为 

的解集的个数限制为 

的解集的个数限制为 

2.根据权利要求1所述的风力发电机叶尖专用翼型，其特征在于：翼型在Z方向上的厚度与X方向的弦长之比值为 

其中，C为X方向的弦长。

3.根据权利要求2所述的风力发电机叶尖专用翼型，其特征在于：翼型优化模型采用基于非支配排序的NSGA II遗传算法，设置初始种群大小c＝50，最 大进化代数g＝30，交叉概率为P_c＝1，变异概率为P_m＝0.1。 

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