风力机叶片高升力系数法的气动设计研究-张同鑫

第36卷第２期2015年２月太阳能学报ACTAENERGIAESOLARISSINICAVol.36,No.2Feb.,2015文章编号：0254-0096（2015）02-0349-06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1.5MW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：A0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。目前，国内外研究人员对风力机叶片的设计做了大量研究。NitinTenguria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］。南京航空航天大学的章嘉麟等［7］采用HicksHenne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1.5MW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。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-speedratio）的关系等，又可得到收稿日期：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。[e-mail]350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）。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。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。2NPU-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为在自由转表1NPU-WA系列风力机专用翼型Table1TheNPU-WAserieswindturbineairfoils翼型名称NPU-WA-400NPU-WA-350NPU-WA-300NPU-WA-250NPU-WA-210NPU-WA-180NPU-WA-150相对厚度/%40353025211815后缘厚度/%3.002.401.700.900.500.450.50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=0.5cρV2CL（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。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［14，15］将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。 0.000.050.100.150.20
1012NPU-WA-150NPU-WA-180NPU-WA-210NPU-WA-250NPU-WA-300NPU-WA-350NPU-WA-400 300 图1NPU-WA翼型气动特性的实验数据Fig.1TheexperimentdataoftheaerodynamiccharacteristicsofNPU-WAairfoils2期张同鑫等：风力机叶片高升力系数法的气动设计研究351
0.100.000.100.200.300.400.50NPU-WA-150NPU-WA-180NPU-WA-210NPU-WA-250NPU-WA-300NPU-WA-350NPU-WA-400
1012 300  图2NPU-WA翼型气动特性的实验数据经过三维效应修正的结果Fig.2TheresultsofexperimentdataoftheaerodynamiccharacteristicsofNPU-WAairfoilsafterthree-dimensionaleffectcorrection4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1.5MW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1.5MW基准叶片进行比较。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1.5MW风力机叶片时沿叶片展向的剖面翼型分布，以及风速为8.5m/s、风力机叶片转速为17.93r/min时叶片上各翼型所在站位处的雷诺数。表21.5MW风力机的设计参数Table2Designparametersofwindturbinewithapowerof1.5MW参数叶片数叶轮直径/m叶片长度/m额定功率/kW桨距角/（°）数值37737.515002参数切入风速/m·s-1切出风速/m·s-1额定风速/m·s-1安装锥角/（°）塔架高度/m数值325≤123100.1表3叶片展向翼型的分布Table3Distributionsofwindturbineairfoilsontheblade展向位置/%20304055758595翼型NPU-WA-400NPU-WA-350NPU-WA-300NPU-WA-250NPU-WA-210NPU-WA-180NPU-WA-150相对厚度/%40353025211815雷诺数Re/万343.8420.6438.4432.2434.0422.4325.9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Table4Distributionsoftargetliftcoefficientalongtheblade站位12345位置0.150.250.350.450.55目标升力系数1.681.261.161.151.15站位6789位置0.650.750.850.95目标升力系数1.141.131.121.12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68.66m2，设计叶片的叶片面积为61.49m2，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。01234/m0.20.40.60.81.0a.弦长对比352太阳能学报36卷051015(50.00.20.40.60.81.0/(
)b.扭转角对比图3设计叶片与基准叶片的弦长和扭转角对比Fig.3Thecomparisonofchordlengthandtwistbetweendesignedbladeandreferenceblade图4给出了基准叶片与设计叶片的功率系数随叶尖速比（TSR）变化的对比，表5给出了最大弦长和最大功率系数。如图4所示，在尖速比6.0和11.5处，设计叶片的功率性能较基准叶片略差，在低尖速比范围（尖速比在3.0~5.8之间），