CN105781904B - 适用于兆瓦级风力机叶片的30%厚度翼型 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于兆瓦级风力机叶片的30％厚度翼型，相对厚度为0.30C，最大厚度对应的弦向位置为0.308C，后缘厚度为0.017C，其中C为翼型弦长；翼型上表面和下表面的几何坐标表达式分别为： 优点为：满足大型风力机叶片中段翼型需求，高雷诺数(600万)条件下在较大的升力系数范围内升阻比均高于NPU‑WA‑300翼型，且具有和NPU‑WA‑300翼型相当的升力特性。

Description

适用于兆瓦级风力机叶片的30%厚度翼型

技术领域

本发明属于叶片翼型设计技术领域，具体涉及一种适用于兆瓦级风力机叶片的30％厚度翼型。

背景技术

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，该项技术的研究和应用可设计出具有更大风能捕获能力和低系统载荷的高性能叶片，对于大直径风力机设计具有重要的意义。

西北工业大学针对兆瓦级大型风力机设计出NPU-WA风力机翼型族，即：专利申请号为CN201110023215.1的发明专利公开了NPU-WA风力机翼型族，共包括7个翼型，7个翼型的相对厚度分别为0.15、0.18、0.21、0.25、0.30、0.35和0.40，各翼型的后缘厚度分别为0.5％C、0.45％C、0.5％C、0.9％C、1.7％C、2.4％C和3.0％C；其中C为各翼型的弦长；并详细公开了每种翼型的坐标数据。该发明所公开的翼型，相比传统翼型具有更高的最大升力系数，以及具有较高的设计升力系数、更大的升阻比和更好的高雷诺数特性，其主翼型和外侧翼型的设计雷诺数为6.0×10⁶。

申请人在NF-3低速翼型风洞中进行了从1.0×10⁶到5.0×10⁶的5个不同雷诺数的风洞实验，通过对风洞实验数据的分析可知，NPU-WA系列翼型中30％厚度翼型，记为NPU-WA-300，具有如下优点：在高雷诺数和高设计升力系数条件下具有很好的升阻比特性，最大升阻比优于同类翼型；在固定转捩情况下升阻比不低于同类翼型；且具有更大的最大升力系数。然而，经研究发现，上述发明专利所公开的NPU-WA-300翼型存在以下不足：高雷诺数条件下翼型的升阻特性有待于进一步提高。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种适用于兆瓦级风力机叶片的30％厚度翼型，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种适用于兆瓦级风力机叶片的30％厚度翼型，相对厚度为0.30C，最大厚度对应的弦向位置为0.308C，后缘厚度为0.017C，其中C为翼型弦长；该翼型上表面和下表面的几何坐标表达式分别为：

$\frac{y_{up}}{C}=0.0025\left(\frac{x}{C}\right)+{\left(\frac{x}{C}\right)}^{0.5}(1-\frac{x}{C})\·\underset{i=0}{\overset{4}{\Σ}}(A_{{\mathrm{up}}_i}\·\frac{4!}{i!(4-i)!}{\left(\frac{x}{C}\right)}^i{\left(1-\frac{x}{C}\right)}^{4-i})$

$\frac{y_{low}}{C}=-0.0025\left(\frac{x}{C}\right)+{\left(\frac{x}{C}\right)}^{0.5}(1-\frac{x}{C})\·\underset{i=0}{\overset{4}{\Σ}}(A_{{\mathrm{low}}_i}\·\frac{4!}{i!(4-i)!}{\left(\frac{x}{C}\right)}^i{\left(1-\frac{x}{C}\right)}^{4-i})$

其中，y_up表示翼型的上表面纵坐标；y_low表示翼型的下表面纵坐标；A_up代表翼型上表面几何坐标的表达式系数；A_low代表翼型下表面几何坐标的表达式系数；x表示翼型的表面横坐标；

A_up和A_low的值见表1：

表1 翼型上下表面几何坐标的表达式系数

本发明提供的适用于兆瓦级风力机叶片的30％厚度翼型具有以下优点：

本发明提供一种适用于兆瓦级风力机叶片的30％厚度翼型，记为NPU-WA2-300，具有以下优点：满足大型风力机叶片中段翼型需求，高雷诺数(600万)条件下在较大的升力系数范围内升阻比均高于NPU-WA-300翼型，且具有和NPU-WA-300翼型相当的升力特性。

附图说明

图1为本发明提供的NPU-WA2-300翼型的几何外形图；

图2为NPU-WA2-300翼型与NPU-WA-300翼型的升力特性比较图(MSES，Re＝6×10⁶，自由转捩)；

图3为NPU-WA2-300翼型与NPU-WA-300翼型的升阻比特性比较图(MSES，Re＝6×10⁶，自由转捩)；

其中，1代表NPU-WA2-300翼型；2代表NPU-WA-300翼型。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种适用于兆瓦级风力机叶片的30％厚度翼型，记为NPU-WA2-300，如图1所示，为本发明提供的NPU-WA2-300翼型的几何外形图，与现有技术已公开的NPU-WA-300翼型相比，本发明提供的NPU-WA2-300翼型保持有相当的升力特性，而且最大升阻比和高升阻比工况范围均有所增加。

具体的，本发明提供的NPU-WA2-300翼型，相对厚度为0.30C，最大厚度对应的弦向位置为0.308C，后缘厚度为0.017C，其中C为翼型弦长；该翼型上表面和下表面的几何坐标表达式分别为：

$\frac{y_{up}}{C}=0.0025\left(\frac{x}{C}\right)+{\left(\frac{x}{C}\right)}^{0.5}(1-\frac{x}{C})\·\underset{i=0}{\overset{4}{\Σ}}(A_{{\mathrm{up}}_i}\·\frac{4!}{i!(4-i)!}{\left(\frac{x}{C}\right)}^i{\left(1-\frac{x}{C}\right)}^{4-i})$

$\frac{y_{low}}{C}=-0.0025\left(\frac{x}{C}\right)+{\left(\frac{x}{C}\right)}^{0.5}(1-\frac{x}{C})\·\underset{i=0}{\overset{4}{\Σ}}(A_{{\mathrm{low}}_i}\·\frac{4!}{i!(4-i)!}{\left(\frac{x}{C}\right)}^i{\left(1-\frac{x}{C}\right)}^{4-i})$

其中，y_up表示翼型的上表面纵坐标；y_low表示翼型的下表面纵坐标；A_up代表翼型上表面几何坐标的表达式系数；A_low代表翼型下表面几何坐标的表达式系数；x表示翼型的表面横坐标；

A_up和A_low的值见表1：

表1 翼型上下表面几何坐标的表达式系数

本发明所公开的上述翼型，关键点是：满足大型风力机叶片中段翼型需求，高雷诺数(600万)条件下在较大的升力系数范围内升阻比均高于NPU-WA-300翼 型，且具有和NPU-WA-300翼型相当的升力特性。

NPU-WA2-300翼型具有较高的设计升力、更大的升阻比和更好的高雷诺数特性。因为作用在叶片剖面上的升力等于升力系数、弦长和来流动压的乘积，因此，更高的设计升力系数可以允许缩短叶片的弦长，从而减少叶片重量，或者在相同弦长的情况下允许在更低的风速下工作；更大的升阻比可以提高风能利用系数，高雷诺数下更高的性能可以满足大型风力机叶片的设计需求。

以下通过实验效果例，对本发明提供的NPU-WA2-300翼型的优点进行验证：

发明人使用翼型气动分析软件MSES对比计算了本发明NPU-WA2-300翼型与传统的NPU-WA-300翼型的气动性能，计算状态：马赫数为0.2，雷诺数为6×10⁶。计算结果分别如图2和图3所示。NPU-WA2-300与NPU-WA-300翼型的性能对比见表2：

表2 NPU-WA2-300翼型与NPU-WA-300翼型的性能对比

从图2和表2可以看到，NPU-WA2-300翼型的升力特性与NPU-WA-300翼型保持相当，最大升力系数略低于NPU-WA-300翼型。从图3和表2可以看到，NPU-WA2-300翼型的最大升阻比高于NPU-WA-300翼型，且在很宽的升力范围内的升阻比均高于NPU-WA-300翼型。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种适用于兆瓦级风力机叶片的30％厚度翼型，相对厚度为0.30C，最大厚度对应的弦向位置为0.308C，后缘厚度为0.017C，其中C为翼型弦长；其特征在于，该翼型上表面和下表面的几何坐标表达式分别为：

$\frac{y_{up}}{C}=0.0025\left(\frac{x}{C}\right)+{\left(\frac{x}{C}\right)}^{0.5}(1-\frac{x}{C})\·\underset{i=0}{\overset{4}{\Σ}}(A_{{\mathrm{up}}_i}\·\frac{4!}{i!(4-i)!}{\left(\frac{z}{C}\right)}^i{\left(1-\frac{x}{C}\right)}^{4-i})$

$\frac{y_{low}}{C}=-0.0025\left(\frac{x}{C}\right)+{\left(\frac{x}{C}\right)}^{0.5}(1-\frac{x}{C})\·\underset{i=0}{\overset{4}{\Σ}}(A_{{\mathrm{low}}_i}\·\frac{4!}{i!(4-i)!}{\left(\frac{x}{C}\right)}^i{\left(1-\frac{x}{C}\right)}^{4-i})$

其中，y_up表示翼型的上表面纵坐标；y_low表示翼型的下表面纵坐标；A_up代表翼型上表面几何坐标的表达式系数；A_low代表翼型下表面几何坐标的表达式系数；x表示翼型的表面横坐标；

翼型上下表面几何坐标的表达式系数分别为：