高性能大型風(fēng)電機(jī)組專用翼型族的設(shè)計

文 | 申振華，申鴻燁，王建明

高性能大型風(fēng)電機(jī)組專用翼型族的設(shè)計

文 | 申振華，申鴻燁，王建明

隨著人們對可再生能源的需求日增，風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展趨勢正在向著超大型多兆瓦級、海上機(jī)組發(fā)展，低風(fēng)區(qū)機(jī)組的研發(fā)也競爭激烈。在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，機(jī)組的尺寸越做越大，目前Vestas海上8兆瓦機(jī)組已經(jīng)問世，其風(fēng)輪直徑達(dá)164米。10兆瓦以上的機(jī)組正在運籌之中。機(jī)組的功率增加總不能僅僅依賴增加尺寸，況且隨著功率的增加，其載荷及成本增加得更快，可見機(jī)組單機(jī)功率增加已經(jīng)接近瓶頸了。葉片翼型對機(jī)組氣動性能的優(yōu)劣起決定性作用，因此用盡可能小尺寸的機(jī)組產(chǎn)生更大功率的途徑應(yīng)當(dāng)是首選翼型的創(chuàng)新。針對機(jī)組專用翼型的設(shè)計，我們進(jìn)行了大量艱苦細(xì)致的工作，開發(fā)出了包括相對厚度為15%-30%等5個翼型的SZ-系列翼型族，在同等條件下，它們比現(xiàn)有同等厚度的對照翼型升阻比和升力系數(shù)顯著提高，特別是在高性能區(qū)的工作攻角范圍大幅度拓寬。同時各翼型均有可接受的粗糙度敏感性，因而機(jī)組可望有更大、更穩(wěn)定的功率輸出、更高的功率系數(shù)和性價比。

大彎度翼型的提出

機(jī)組發(fā)展的初期，葉片設(shè)計一直照搬NACA-系列航空翼型，后來發(fā)現(xiàn)對機(jī)組并不適合，因此人們陸續(xù)研發(fā)出了各種機(jī)組專用翼型，最著名的如荷蘭的DU-系列翼型，瑞典的FFA-系列翼型，美國的S-系列及丹麥的Risф系列翼型等，但是無論哪種翼型，其彎度均小于4%，這極大地限制了機(jī)組做功潛能的發(fā)揮。凡是增加翼型彎度的措施都有可能提高機(jī)組的做功能力。

我國十分重視機(jī)組專用翼型的研究與開發(fā)，近年來，西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中科院工程熱物理所及重慶大學(xué)等都先后承擔(dān)國家項目及相應(yīng)的研究課題，并分別開發(fā)出各自的機(jī)組專用翼型族，它們的性能都比其同等厚度對照翼型有不同程度的提高，大大推動了我國機(jī)組翼型空氣動力學(xué)的研究。

早在2005年，作者在其專利和論文中就提出了“大彎度”（渦輪化）翼型的概念，并在大量的小型風(fēng)洞實驗中驗證了這一概念的正確性，因而獲得許多與會的知名專家、學(xué)者的高度評價。但是為什么這樣一個被大家認(rèn)可的理念多年來卻得不到發(fā)展和推廣呢？關(guān)鍵是所說的“大彎度”僅僅停留在概念階段，只有將其具體化為有實際工程應(yīng)用價值的翼型才行。

大彎度翼型的設(shè)計及性能優(yōu)勢

大彎度翼型的概念僅僅是一種設(shè)計思想，這里所說大彎度是指翼型彎度超出現(xiàn)有常規(guī)翼型，通常在4%以上，例如本文的有些翼型彎度已達(dá)4.8%以上，有的高達(dá)5.11%。實際上任何增加翼型彎度的方法，無論通過增加結(jié)構(gòu)彎度（如Gurney襟翼）或是氣動彎度（如噴氣襟翼），都有利于提高機(jī)組的功率輸出，這已被大量的實驗結(jié)果所證實。

本文主要介紹對機(jī)組性能起關(guān)鍵作用的葉片外側(cè)翼型的設(shè)計，特別是較薄的15%、18%、21%及25%厚度的翼型，主要應(yīng)用于兆瓦和多兆瓦級的機(jī)組，目的在于顯著提高翼型在高雷諾數(shù)（1×106-3×106）范圍時的升阻比及升力系數(shù)。鑒于工作條件的限制，本文基本應(yīng)用Xfoil軟件，對大量現(xiàn)有翼型進(jìn)行分析，以大彎度思想為指導(dǎo)，進(jìn)行了新翼型的構(gòu)想和設(shè)計計算。主要考慮：

1.在1×106-3×106的雷諾數(shù)范圍內(nèi)與同等厚度的對照翼型比較，力求有盡可能高的升阻比和更高的升力系數(shù)，為了簡便起見，文中僅以雷諾數(shù)Re=3×106，馬赫數(shù)Ma=0.15為例。

2. 翼型對前緣粗糙度敏感性應(yīng)足夠低，即在葉片粗糙條件下（計算時用吸力面距前緣1%弦長處，壓力面距前緣10%弦長處設(shè)置固定轉(zhuǎn)捩以模擬葉片表面粗糙度造成的影響），翼型的升阻比應(yīng)不低于相應(yīng)的同等厚度的對照翼型。

3. 翼型有鈍尾緣，以考慮葉片加工的工藝性及葉片的強(qiáng)度和剛性要求，以往的尖尾緣翼型只有理論意義，實際上是很難達(dá)到的。

4. 翼型有S型后加載的壓力面。

5. 所有翼型的高性能攻角范圍應(yīng)大于現(xiàn)有同等厚度的對照翼型，以盡量提供其高且穩(wěn)定的非設(shè)計點氣動性能。

新翼型的計算結(jié)果

該翼型族按其相對厚度包括0.15、0.18、0.21、0.25、0.30，分別命名為SZ-W-150、SZ-W-180、SZ-W-210、SZ-W-250、SZ-W-300等。其中SZ是該翼型族設(shè)計人的中文拼音字頭（SHEN Zhenhua）， W表示機(jī)組專用，最后三位數(shù)字表示相對厚度百分?jǐn)?shù)的10倍。如翼型SZ-W-180即指相對厚度為0.18的翼型，各翼型幾何外形見圖1。

本文基于XFOIL（由美國MIT開發(fā)的基于粘性-無粘迭代的渦面元方法的軟件，在亞聲速失速前狀態(tài)下的翼型計算具有足夠的精度）的Profili Pro軟件構(gòu)造新的翼型，包括相對彎度的大小及位置變化、相對厚度大小及位置的變化、前緣半徑及尾緣厚度的變化等，并在雷諾數(shù)Re=1e6、3e6 及5e6工況下進(jìn)行光滑及粗糙條件下的性能計算，最終用RFOIL軟件（由DUT、ECN及NLR合作開發(fā)的XFOIL 軟件的擴(kuò)展版，專門用于機(jī)組翼型設(shè)計和氣動特性分析的商業(yè)軟件，比XFOIL有更強(qiáng)的功能，主要優(yōu)點是改進(jìn)了失速區(qū)域的翼型氣動性能的計算穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，并能夠求解風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)過程中翼型的空氣動力性能） 。對多種現(xiàn)有的（通常用作比較基準(zhǔn)的）優(yōu)秀翼型進(jìn)行對比計算，最終確定其性能。計算狀態(tài)選定雷諾數(shù)Re= 3×106，馬赫數(shù)Ma=0.15 ，考慮自由轉(zhuǎn)捩和人工轉(zhuǎn)捩兩種，對于人工轉(zhuǎn)捩，翼型吸力面轉(zhuǎn)捩點設(shè)在距前緣1%弦長位置，而壓力面轉(zhuǎn)捩點設(shè)在距前緣10%弦長位置。以下為RFOIL軟件的計算結(jié)果。

一、SZ-W-150翼型

圖2給出了SZ-W-150翼型與NACA63615翼型升阻比特性的計算結(jié)果比較。由圖可知，SZ-W-150翼型與NACA63615翼型的最大升阻比分別為184.5（6°）和158.0 （3°），提高了16.8%，而且升阻比曲線在高性能（例如升阻比>150）區(qū)的攻角范圍SZ-W-150比NACA63615翼型也寬得多，從0.5°增加到6.5°。這說明SZ-W-150翼型有寬得多的非設(shè)計點性能。在大型機(jī)組情況下，風(fēng)剪切的影響顯著，使得葉片翼型在不同運行高度時的尖速比λ變化頻繁，工作攻角α甚至變化2°-3°以上；特別是在陣風(fēng)條件下翼型攻角的變化會更大。SZ-W-150翼型平坦的升阻比曲線提供的寬廣的攻角范圍可以提高機(jī)組的性能，從而提高機(jī)組的年發(fā)電能力，同時也減少了機(jī)組控制系統(tǒng)，例如葉片變槳機(jī)構(gòu)對風(fēng)況變化反應(yīng)能力的要求，進(jìn)一步保證了機(jī)組的性能穩(wěn)定，降低了機(jī)組的生產(chǎn)成本。

圖3給出了SZ-W-150翼型與NACA63615翼型升力特性的比較。由圖可知，SZ-W-150翼型有比較平緩的升力曲線，同時最大升力系數(shù)達(dá)到1.80，比翼型NACA63615翼型的1.54提高了16.9%。高的翼型升力系數(shù)就可以減小葉片設(shè)計弦長，從而減小葉片重量和結(jié)構(gòu)載荷，從而降低生產(chǎn)成本等。

二、SZ-W-150翼型

（一） 光滑狀態(tài)

圖4給出了SZ-W-180翼型與DU 96-W-180翼型及NACA64618翼型升阻比特性計算結(jié)果的比較。由圖可知，SZ-W-180翼型比DU 96-W-180翼型及NACA64618翼型的最大升阻比都有明顯的提高，高達(dá)184.5，比DU 96-W-180翼型的158.1提高了16.7%，比NACA64618翼型的167.5提高了10.1%；而且升阻比曲線在高性能（例如升阻比>150）區(qū)的攻角范圍SZ-W-180翼型比DU 96-W-180翼型及NACA64618翼型也寬得多，從1.5°和2.0°增加到7.5°；而在升阻比>100區(qū)，各翼型的高性能攻角范圍則分別從6.5°、6.5°增加到12°，因此SZ-W-180同樣具有良好的非設(shè)計點性能。圖5給出了SZ-W-180翼型與DU 96-W-180翼型升力特性的比較。由圖可知，SZ-W-180翼型比DU 96-W-180翼型的最大升力系數(shù)從1.62提高到1.96，提高了21.0%，提高翼型升力系數(shù)對減輕葉片質(zhì)量、結(jié)構(gòu)載荷及整機(jī)總質(zhì)量，對降低機(jī)組的生產(chǎn)成本因而提高性價比等是十分有利的。

（二） 粗糙狀態(tài)

在SZ-系列翼型的設(shè)計中，特別重視翼型對前緣粗糙度的敏感性。除了關(guān)心一味強(qiáng)調(diào)翼型在粗糙后最大升力系數(shù)的變化外，而更應(yīng)關(guān)心粗糙后翼型升阻比性能的變化。圖6給出了SZ-W-180翼型與DU 96-W-180翼型在前緣粗糙情況下翼型升阻比的比較。由圖可知，SZ-W-180翼型在固定轉(zhuǎn)捩（吸力面0.01C和壓力面0.10C）時，其升阻比為89.5，高于DU 96-W-180翼型的75.5，說明SZ-W-180翼型對前緣粗糙度不敏感。

三、SZ-W-210翼型

圖7給出了SZ-W-210翼型與DU 93-W-210翼型升阻比特性計算結(jié)果的比較，。由圖可知，SZ-W-210翼型的最大升阻比達(dá)176.6，比DU 93-W-210翼型的155.35提高了13.7%；而且升阻比曲線在高性能（例如升阻比>150）區(qū)攻角范圍比對照翼型也寬得多，從1.5°增加到6.5°；而在升阻比 > 100的區(qū)間，高性能攻角范圍則從6.5°增加到11.5°。因此SZ-W-210翼型同樣具有良好的非設(shè)計點性能，并具有上述就SZ-W-150翼型的說明中的一切優(yōu)點。

圖8給出了SZ-W-210翼型與DU 93-W-210翼型升力特性計算結(jié)果的比較。從圖中可知，SZ-W-210翼型最大升力系數(shù)比DU 93-W-210翼型提高了31.0%，從1.45提高到1.90。提高翼型升力系數(shù)對減輕葉片質(zhì)量、結(jié)構(gòu)載荷及整機(jī)總質(zhì)量，有利于降低生產(chǎn)成本。

同樣，SZ-W-250翼型和 SZ-W-300翼型也有類似的特點，即在葉片光滑條件下不僅顯著提高了翼型的升阻比特性，而且其高性能工作攻角范圍大大拓寬，并且在粗糙條件下具有可接受的較低的粗糙度敏感性。因而SZ-系列翼型族可望是一套優(yōu)秀的大型機(jī)組專用翼型族。

四、 粗糙狀態(tài)下翼型最佳工作攻角的轉(zhuǎn)移

翼型粗糙度敏感性問題，不僅涉及翼型最大升力系數(shù)變化了多少，也涉及翼型升阻比的變化和粗糙狀態(tài)下翼型最佳工作攻角（工作點）的變化。作者認(rèn)為，翼型氣動性能的優(yōu)劣，影響最直接的是升阻比，應(yīng)該重視升阻比在粗糙前后的變化。圖9某翼型分別在光滑（自由轉(zhuǎn)捩）和粗糙（固定轉(zhuǎn)捩）狀態(tài)下的計算結(jié)果，由圖可知翼型粗糙后，不僅升阻比大大下降，不僅其最佳工作攻角也發(fā)生變化，從A點（設(shè)計點）攻角變成B點攻角。作者對多個翼型做過計算，僅風(fēng)剪切對大型機(jī)組的的影響，使葉片外側(cè)翼型的攻角變化通常高達(dá)2°以上，而在陣風(fēng)狀態(tài)，該攻角的變化還將加大。一般機(jī)組在運行過程中只根據(jù)（翼型光滑狀態(tài)下）風(fēng)況的變化調(diào)整槳距角，而不會就葉片的粗糙度來調(diào)整槳距角，所以如果風(fēng)況穩(wěn)定，翼型將一直在初始調(diào)定的最佳工作攻角A點（設(shè)計點）運行，而不會在粗糙后對應(yīng)的最佳攻角B點運行，從圖9可知，粗糙時在A點運行的翼型性能比B點更差。因此，在新翼型開發(fā)時，有必要設(shè)定一個新的指標(biāo)，即限定新翼型粗糙后最佳工作攻角的變化幅度Δα，例如Δα不大于1°，當(dāng)然越小越好。

本文介紹的SZ-系列翼型就充分考慮了翼型粗糙后最佳攻角的變化問題，圖10給出了SZ-W-150翼型粗糙前后的最佳工作攻角變化，其變化在0.5°左右。圖11給出了該翼型粗糙前后的升力系數(shù)變化，由圖可知其粗糙度敏感性很低。這就充分保證SZ-翼型族無論在光滑狀態(tài)還是粗糙狀態(tài)都能取得良好的氣動性能。

結(jié)語

在本文翼型開發(fā)過程中，作者先是通過Profili Pro對大量的能夠搜集到的優(yōu)秀翼型進(jìn)行了分析、計算和比較，還特別關(guān)注了近幾年國內(nèi)的幾套翼型，并用Rfoil軟件進(jìn)行了對比計算，初步開發(fā)出了SZ-系列翼型，該系列翼型已經(jīng)申請國家發(fā)明專利。結(jié)果表明：

（1）SZ-系列翼型兼顧了粗糙度敏感性的基本要求，翼型的升阻比性能，特別是翼型的高性能工作攻角范圍都明顯優(yōu)于對照翼型，而且翼型粗糙后最佳攻角的變化更小，這對于大型機(jī)組葉片性能的進(jìn)一步提高提供了堅實的基礎(chǔ)。

（2）“大彎度翼型”設(shè)計思想對于機(jī)組翼型開發(fā)是可行的，只要謹(jǐn)慎處理翼型前緣粗糙度的影響，就可以達(dá)到提高葉片氣動性能的目的。

（作者單位：申振華，王建明：沈陽航空航天大學(xué)；申鴻燁：沈陽廣播電視大學(xué)）