[发明专利]一种风力机钝后缘椭圆翼型的设计方法

说明书

一种风力机钝后缘椭圆翼型的设计方法，通过初始翼型的无量纲几何方程，确定初始翼型的半长轴、半短轴和初始翼型后缘截面，将初始翼型的后缘截去得到钝后缘椭圆翼型的后缘；初始翼型的前缘至后缘截面处即为钝后缘椭圆翼型。本发明针对现有的大厚度风力机翼型设计方法的不足，结合椭圆翼型相对厚度越大，失速攻角越大的特点以及钝后缘改型方法的优点，翼型截面惯性矩比相同弦长的大厚度钝后缘风力机翼型FX77的截面惯性矩大50％，翼型吸力面后段的压力梯度比FX77吸力面后段的压力梯度小25％，有效提高了翼型的升力系数和失速攻角，并提高了风力机叶片的强度和刚度。

技术领域

本发明涉及风力机翼型设计方法，特别是一种针对大厚度钝后缘椭圆翼型的设计方法。

背景技术

叶片设计是风机设计的核心技术，叶片性能决定了风能利用率、载荷特性、噪声水平等，其中叶片剖面翼型是决定叶片性能最重要的因素。如今，风力机大型化与区域化发展使得叶片展向中内侧普遍采用30％以上相对厚度的风力机专用翼型，因此高性能大厚度风力机翼型的设计，对于提高叶片风能捕获能力、降低叶片重量和系统载荷有着重要意义。

中国空气动力研究与发展中心的乔宝英2014年在“第九届全国风能应用技术年会论文集”上发表了“风力机翼型设计研究综述”，他提出风力机翼型的设计方法主要包括基于设计者经验的实验和误差方法、直接优化设计方法和反设计方法。根据已知的理论和实验结果，有经验的设计者能通过改变几何外形以获得需要的设计目标，这种方法的优点是在设计过程中的每一步都能获得一个真实的翼型，不利之处在于该方法费时费力，且极度依赖于设计者的直觉和经验。直接优化设计方法是将求解翼型流场的计算流体力学(CFD)程序与优化程序相耦合，通过几何形状的不断修正来寻求目标函数的极值，该方法的主要缺点是高度优化的翼型对表面的微小变化非常敏感，此外由于要进行大量的翼型流场计算，达到收敛解需要较长的计算时间；反设计方法是根据给定希望达到的气动特性、压力分布以及初始的基本翼型，通过几何和流动控制方程，逐步逼近给定的气动特性，求得满足要求的翼型，该方法的困难在于很难给出恰当的目标压强或速度分布，并且难以处理多学科设计问题。

与此同时，在风力机翼型的设计中，进行钝后缘改型是提高叶片的气动性能以及强度、刚度的有效措施。很多学者对钝后缘翼型进行了深入的研究，结果表明钝尾缘改型可以增加最大升力和失速攻角，降低最大升力对前缘粗糙的敏感性并在结构上增大了横截面的面积和弯曲惯性矩，使叶片能承担更大的压力载荷，因此在大厚度翼型的设计研究中该方法应用很广。

中国科学院工程热物理研究所的白井艳等人2010年在“工程热物理学报”的第31卷第4期上发表了“水平轴风力机专用翼型族设计”，他们采用直接设计方法，使用NUMECA软件中的AUTOBLADE模块进行翼型的几何设计，选择XFOIL进行翼型的气动和几何特性分析，设计包含最大厚度从15％到60％11个不同厚度的翼型。该方法设计出的相对厚度超过45％的翼型在固定转捩状态下最大升力系数均小于1，而且失速攻角不大，均小于15度。

中国科学院工程热物理研究所在申请号为201310234549.2的发明创造中提出了一种正反设计相结合的风力机大厚度翼型族的设计方法。所述正设计步骤中，从原始翼型出发，首先保持原始翼型的弯度分布和最大厚度位置基本不变，调节翼型的相对厚度达到目标相对厚度；之后保持翼型的相对厚度不变，调节翼型的尾缘厚度达到目标尾缘厚度；完成所述正设计步骤后，进行反设计步骤。所述反设计步骤中，通过调节翼型表面的压力分布，来微调翼型前缘形状、相对厚度及其分布、相对弯度及其分布。该设计方法繁琐，设计出的厚翼型拥有很高的升力系数，但失速攻角均小于10度。

重庆大学机械传动国家重点实验室的陈进等人2015年在“哈尔滨工程大学学报”的第36卷第7期上发表了“风力机钝尾缘大厚度翼型优化设计方法”，文中基于风力机翼型泛函数集成理论和复合材料力学理论，提出了一种大厚度钝尾缘翼型优化设计方法，并建立了优化设计模型。该模型以翼型的气动性能最佳为设计目标，以叶片的最小截面刚度为约束条件，优化了某40％相对厚度的翼型，得到的新翼型气动性能与截面刚度均有提高，但是该方法对初始翼型的气动性能要求较高。