NPU－WA系列風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

喬志德， 宋文萍， 高永衛(wèi)

（西北工業(yè)大學(xué)，翼型、葉柵空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710072）

0 引 言

風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)的一項(xiàng)核心技術(shù)，構(gòu)成葉片的翼型是葉片設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，20世紀(jì)90年代以前，風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)通常使用已有的傳統(tǒng)翼型，如4位數(shù)字NACA44系列和NACA63或64系列翼型［1－2］，自從1980年代后期以來(lái)，西歐和美國(guó)進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)用于風(fēng)力機(jī)的先進(jìn)翼型設(shè)計(jì)研究，瑞典宇航研究院20世紀(jì)90年代設(shè)計(jì)了FFA－W3－211、FFA－W3－241和FFA－W3－301三個(gè)較厚的翼型，荷蘭Delft大學(xué)在1992年和1993年設(shè)計(jì)了相對(duì)厚度分別為25%、21%的 DU91－W2－250和 DU93－W2－210翼型，此后設(shè)計(jì)了相對(duì)厚度分別為18%的DU95－W－180、DU96－W－180 翼 型 和 30% 的 DU97－W－300 翼型，形成了相對(duì)厚度18%到40%的DU翼型系列［3］，丹麥RIS?國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在90年代后期發(fā)展了由RIS?－A1－18，RIS?－A1－21和 RIS?－A1－24三個(gè)翼型組成的RIS?風(fēng)力機(jī)翼型系列，在2000年之后針對(duì)大型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)了具有更高設(shè)計(jì)升力的RIS?－B1族翼型［4］。但上述翼型缺乏較高雷諾數(shù)下的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，目前還主要用于中、小風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)。

1984年美國(guó)可再生源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（NREL）開(kāi)展了風(fēng)力機(jī)翼型族的設(shè)計(jì)研究，到90年代，為各類(lèi)風(fēng)力機(jī)發(fā)展了不同性能的，從根部到葉尖的，能適應(yīng)結(jié)構(gòu)要求的9個(gè)翼型族［2，5］，這些新翼型的采用，使風(fēng)電機(jī)組年發(fā)電量增加了10%～35%。由于是針對(duì)當(dāng)時(shí)的中、小型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)的，其設(shè)計(jì)升力和最大升力系數(shù)都不很高。

美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在2004年發(fā)表了大型風(fēng)力機(jī)創(chuàng)新葉片的設(shè)計(jì)技術(shù)報(bào)告［6］，提出了把新翼型作為4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一的大型風(fēng)力機(jī)葉片創(chuàng)新設(shè)計(jì)新概念，所有4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)都指向一個(gè)主要目標(biāo)：在獲得高空氣動(dòng)力學(xué)性能的條件下，減少葉片重量。所提出的一個(gè)2.4MW，直徑104m的風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)方案中，葉片大部分剖面雷諾數(shù)都超過(guò)5.0×106。

風(fēng)力機(jī)葉片的重量和費(fèi)用正比于半徑的2.4次方，而發(fā)電量正比于風(fēng)力機(jī)半徑的平方，所以隨風(fēng)力機(jī)功率增加，風(fēng)力機(jī)尺寸將會(huì)有更快的增加，更大的尺寸意味著更高的運(yùn)行雷諾數(shù)、更大的重量、更大的陣風(fēng)風(fēng)載及伴隨的振動(dòng)和疲勞限制。因此大型風(fēng)力機(jī)葉片的主要技術(shù)要求是：減少葉片重量，以減少包括制造費(fèi)用和運(yùn)輸成本在內(nèi)的發(fā)電成本，減少慣性載荷、陣風(fēng)載荷以及相應(yīng)的系統(tǒng)載荷；并提高葉片的風(fēng)能捕獲能力。由于大型風(fēng)力機(jī)運(yùn)行工況下葉片主要剖面具有很高的雷諾數(shù)，因此要求翼型在高雷諾數(shù)時(shí)具有高的氣動(dòng)性能，此外，大型風(fēng)力機(jī)還要求翼型具有更高的設(shè)計(jì)升力，這是因?yàn)楦咴O(shè)計(jì)升力可以減少實(shí)度（減少葉片弦長(zhǎng)）以減少葉片面積，從而可以減少葉片重量、節(jié)約制造和運(yùn)輸成本，并減輕陣風(fēng)載荷和慣性載荷；還有，高設(shè)計(jì)升力有利于在低于平均風(fēng)速的使用周期內(nèi)提高風(fēng)能捕獲能力，以增加風(fēng)力機(jī)的年發(fā)電量。由上述可見(jiàn)，大型風(fēng)力機(jī)翼型應(yīng)該在在更高的雷諾數(shù)和更高的設(shè)計(jì)升力下具有更好的空氣動(dòng)力特性。目前國(guó)內(nèi)外風(fēng)力機(jī)翼型的設(shè)計(jì)升力系數(shù)大都小于1.0，除個(gè)別翼型外，風(fēng)力機(jī)翼型族的實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)都沒(méi)有超過(guò)3.0×106，所以研究發(fā)展經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的高雷諾數(shù)、高設(shè)計(jì)升力風(fēng)力機(jī)翼型族，可以導(dǎo)致設(shè)計(jì)出具有創(chuàng)新性的高性能大型風(fēng)力機(jī)葉片。

我國(guó)過(guò)去缺乏以厚翼型為特點(diǎn)的風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)與計(jì)算方法研究；缺乏可減輕風(fēng)力機(jī)葉片陣風(fēng)過(guò)載的翼型設(shè)計(jì)與計(jì)算方法研究，也沒(méi)有開(kāi)展風(fēng)力機(jī)翼型族的設(shè)計(jì)研究，沒(méi)有具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的風(fēng)力機(jī)翼型族，特別是沒(méi)有可供兆瓦級(jí)和多兆瓦級(jí)大型風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)使用的翼型族，嚴(yán)重影響了我國(guó)風(fēng)電工業(yè)的發(fā)展。

NPU－WA風(fēng)力機(jī)翼型族是針對(duì)變距或變轉(zhuǎn)速大型風(fēng)力機(jī)葉片，使用計(jì)算流體力學(xué)方法設(shè)計(jì)的，并在NF－3低速翼型風(fēng)洞中進(jìn)行了從1.0×106到5.0×106的5個(gè)不同雷諾數(shù)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，與已有國(guó)外風(fēng)力機(jī)翼型較低雷諾數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，給出具有更高雷諾數(shù)的、更完整的氣動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 NPU－WA翼型設(shè)計(jì)方法

在風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)中綜合使用了課題組多年來(lái)研究發(fā)展的翼型設(shè)計(jì)與計(jì)算方法，這些方法的詳細(xì)描述見(jiàn)所給出的相應(yīng)參考文獻(xiàn)，這里簡(jiǎn)介如下：

（1）反設(shè)計(jì)方法

按給定目標(biāo)壓力分布的翼型反設(shè)計(jì)方法［13］，用于給定較小迎角（或較低設(shè)計(jì)升力系數(shù)）時(shí)的目標(biāo)壓力分布設(shè)計(jì)翼型；基于亞聲速速勢(shì)方程的混合邊界條件翼型設(shè)計(jì)方法［7］，用于根據(jù)部分表面給定目標(biāo)壓力分布，部分表面給定幾何外形的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)翼型；N－S方程翼型設(shè)計(jì)方法［13］，用于大迎角（或高升力）條件下，給定目標(biāo)壓力分布設(shè)計(jì)翼型，適用于各種迎角和雷諾數(shù)。

（2）翼型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

通過(guò)采用多目標(biāo)優(yōu)化方法基于雷諾平均N－S方程［9－10］、低速線化速勢(shì)方程或跨聲速全速勢(shì)方程－附面層迭代方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)［8］。優(yōu)化目標(biāo)是提高翼型在高升力和高雷諾數(shù)下的升阻比，并將中等升力系數(shù)、較低雷諾數(shù)等非設(shè)計(jì)條件以及翼型力矩系數(shù)及翼型相對(duì)厚度作為需要滿足的約束條件。

（3）人－機(jī)對(duì)話修改設(shè)計(jì)［13］

通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕直接修改翼型幾何外形，通過(guò)對(duì)修形后翼型的氣動(dòng)特性計(jì)算檢驗(yàn)修改效果，由于優(yōu)化方法難以使翼型外形有大的改變，所以允許較大修改量的人－機(jī)對(duì)話修形是優(yōu)化方法的必要補(bǔ)充，同時(shí)也是進(jìn)行適當(dāng)修形以滿足非設(shè)計(jì)條件的補(bǔ)充手段。

（4）校核計(jì)算方法［13－15］

對(duì)使用上述方法設(shè)計(jì)的翼型進(jìn)行設(shè)計(jì)條件和非設(shè)計(jì)條件下的校核計(jì)算，在小迎角（或低升力）時(shí)，主要使用XFOIL計(jì)算軟件，在大迎角（或高升力）使用課題組研究發(fā)展的雷諾平均N－S方程計(jì)算方法。

圖1給出所設(shè)計(jì)的NPU－WA－210翼型在設(shè)計(jì)工況下壓力分布與國(guó)外同類(lèi)風(fēng)力機(jī)翼型的比較。

圖1 設(shè)計(jì)升力和設(shè)計(jì)雷諾數(shù)下NPU－WA－210翼型與其他風(fēng)力機(jī)翼型壓力分布計(jì)算比較Fig.1 Comparison of the design pressure distribution of NPU－WA－210with the other airfoils

2 NPU－WA翼型族翼型的名稱(chēng)和幾何外形

圖2給出了NPU－WA風(fēng)力機(jī)翼型族的幾何外形，根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)要求，該風(fēng)力機(jī)翼型族的相對(duì)厚度分別為0.15、0.18、0.21、0.25、0.30、0.35和0.40弦長(zhǎng)，共7個(gè)翼型，分別被命名為：NPU－WA－150、NPUWA－180、NPU－WA－210、NPU－WA－250、NPU－WA－300、NPU－WA－350和 NPU－WA－400。NPU－WA 翼型編號(hào)最后三位數(shù)字中的前兩位表示相對(duì)厚度，最后一位“零”表示該翼型為初次設(shè)計(jì)，若為第一次修改設(shè)計(jì)則為1，以此類(lèi)推。編號(hào)中的“NPU”表示該翼型族是由西北工業(yè)大學(xué)研究發(fā)展的，“WA”表示該翼型族是為風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)的專(zhuān)用翼型。弦長(zhǎng)C為100時(shí)，不同相對(duì)厚度翼型的后緣厚度見(jiàn)表1。

表1 不同相對(duì)厚度翼型的后緣厚度Table 1 Trailing edge thickness of airfoils with different relative thickness

圖2 NPU－WA風(fēng)力機(jī)翼型族Fig.2 NPU－WA wind turbine airfoil family

3 NPU－WA風(fēng)力機(jī)翼型族的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

NF－3風(fēng)洞為直流閉口式全鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)洞，有三個(gè)可更換實(shí)驗(yàn)段，洞體長(zhǎng)80m，二元實(shí)驗(yàn)段寬1.6m、高3m、長(zhǎng)8m。風(fēng)速為15m／s～120m／s，湍流度0.045%。試驗(yàn)用的翼型模型均為鋼質(zhì)骨架木質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，模型展長(zhǎng)1.595m，弦長(zhǎng)0.8m，模型在風(fēng)洞中的安裝情況如圖3所示。在翼型模型上下表面開(kāi)靜壓孔，測(cè)量表面的壓力，用于計(jì)算翼型的升力和俯仰力矩；在距模型后緣1.2倍弦長(zhǎng)處安裝總壓排管，有186根文德利型總壓管和9根靜壓管，測(cè)量模型尾跡區(qū)的總壓分布和靜壓，用以計(jì)算翼型的阻力。測(cè)量寬度范圍為2000mm，可根據(jù)試驗(yàn)的具體情況進(jìn)行移動(dòng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用美國(guó)PSI公司的9816電子掃描閥，共有512個(gè)壓力測(cè)量通道，采集速度為100Hz／ch，采集精度為±0.05%。該系統(tǒng)用來(lái)采集翼型的表面壓力和尾耙的壓力。除了自由轉(zhuǎn)捩實(shí)驗(yàn)外，還進(jìn)行了固定轉(zhuǎn)捩實(shí)驗(yàn)，固定轉(zhuǎn)捩采用zigzag粗糙帶。

圖3 翼型模型在NF－3風(fēng)洞中的安裝Fig.3 The test model in NF－3wind tunnel

實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)分別為1.0×106、1.5×106、3.0×106、4.0×106和5.0×106。對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)段風(fēng)速約為20m／s～100m／s。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了包括阻塞修正、流向曲率修正和側(cè)壁干擾修正等風(fēng)洞干擾修正。

4 NPU－WA翼型的氣動(dòng)特性

4.1 NPU－WA翼型的高升力特性

由圖4可見(jiàn)，主翼型與外側(cè)翼型具有高于1.2的設(shè)計(jì)升力，最大升阻比對(duì)應(yīng)的升力很接近于最大升力是該翼型族的主要特點(diǎn)之一。

4.2 NPU－WA翼型的高雷諾數(shù)特性

圖5給出雷諾數(shù)對(duì)NPU－WA－210翼型最大升阻比和最大升力系數(shù)的影響，由圖可見(jiàn)，翼型的氣動(dòng)性能隨雷諾數(shù)的變化較為和緩，在直到Re＝5.0×106時(shí)仍能保持高的升阻比。

4.3 最大升力系數(shù)對(duì)粗糙度的敏感性

最大升力系數(shù)CLmax對(duì)粗糙度敏感性可被定義為（CLmaxfr－CLmaxfix）／CLmaxfr，下標(biāo)中的fr表示自由轉(zhuǎn)捩，fix表示固定轉(zhuǎn)捩，一般來(lái)說(shuō)，高設(shè)計(jì)升力和大相對(duì)厚度都會(huì)增加翼型對(duì)粗糙度的敏感性，圖6指出，用于葉片外側(cè)剖面的 NPU－WA－150和 NPU－WA－180翼型在所有試驗(yàn)雷諾數(shù)范圍內(nèi)，最大升力系數(shù)對(duì)粗糙度的敏感性都低于10%，分別為0.049～0.076和0.052～0.095，表明其對(duì)粗糙度不敏感。主翼型NPU－WA－210在高雷諾數(shù)下，如Re＝5.0×106時(shí)敏感性參數(shù)為0.097，Re＝3.0×106時(shí)為0.123。

內(nèi)側(cè)翼型最大升力系數(shù)對(duì)粗糙度敏感性通常是不很重要的，可以允許較高的敏感性。

4.4 厚翼型的氣動(dòng)特性

圖7給出了用于葉片內(nèi)側(cè)剖面的NPU－WA－300翼型空氣動(dòng)力學(xué)特性隨雷諾數(shù)的變化。

5 結(jié) 論

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)表明，NPU－WA翼型族達(dá)到了在高雷諾數(shù)、高升力條件下實(shí)現(xiàn)高升阻比和外側(cè)翼型對(duì)粗糙度不敏感的主要設(shè)計(jì)要求。為我國(guó)自主研發(fā)大型風(fēng)力機(jī)提供了可供實(shí)際使用的翼型幾何數(shù)據(jù)和雷諾數(shù)從1.0×106～5.0×106的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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