高性能大型风电机组专用翼型族的设计

文 | 申振华，申鸿烨，王建明

高性能大型风电机组专用翼型族的设计

文 | 申振华，申鸿烨，王建明

随着人们对可再生能源的需求日增，风电机组的发展趋势正在向着超大型多兆瓦级、海上机组发展，低风区机组的研发也竞争激烈。在现有技术基础上，机组的尺寸越做越大，目前Vestas海上8兆瓦机组已经问世，其风轮直径达164米。10兆瓦以上的机组正在运筹之中。机组的功率增加总不能仅仅依赖增加尺寸，况且随着功率的增加，其载荷及成本增加得更快，可见机组单机功率增加已经接近瓶颈了。叶片翼型对机组气动性能的优劣起决定性作用，因此用尽可能小尺寸的机组产生更大功率的途径应当是首选翼型的创新。针对机组专用翼型的设计，我们进行了大量艰苦细致的工作，开发出了包括相对厚度为15%-30%等5个翼型的SZ-系列翼型族，在同等条件下，它们比现有同等厚度的对照翼型升阻比和升力系数显著提高，特别是在高性能区的工作攻角范围大幅度拓宽。同时各翼型均有可接受的粗糙度敏感性，因而机组可望有更大、更稳定的功率输出、更高的功率系数和性价比。

大弯度翼型的提出

机组发展的初期，叶片设计一直照搬NACA-系列航空翼型，后来发现对机组并不适合，因此人们陆续研发出了各种机组专用翼型，最著名的如荷兰的DU-系列翼型，瑞典的FFA-系列翼型，美国的S-系列及丹麦的Risф系列翼型等，但是无论哪种翼型，其弯度均小于4%，这极大地限制了机组做功潜能的发挥。凡是增加翼型弯度的措施都有可能提高机组的做功能力。

我国十分重视机组专用翼型的研究与开发，近年来，西北工业大学、北京航空航天大学、中科院工程热物理所及重庆大学等都先后承担国家项目及相应的研究课题，并分别开发出各自的机组专用翼型族，它们的性能都比其同等厚度对照翼型有不同程度的提高，大大推动了我国机组翼型空气动力学的研究。

早在2005年，作者在其专利和论文中就提出了“大弯度”（涡轮化）翼型的概念，并在大量的小型风洞实验中验证了这一概念的正确性，因而获得许多与会的知名专家、学者的高度评价。但是为什么这样一个被大家认可的理念多年来却得不到发展和推广呢？关键是所说的“大弯度”仅仅停留在概念阶段，只有将其具体化为有实际工程应用价值的翼型才行。

大弯度翼型的设计及性能优势

大弯度翼型的概念仅仅是一种设计思想，这里所说大弯度是指翼型弯度超出现有常规翼型，通常在4%以上，例如本文的有些翼型弯度已达4.8%以上，有的高达5.11%。实际上任何增加翼型弯度的方法，无论通过增加结构弯度（如Gurney襟翼）或是气动弯度（如喷气襟翼），都有利于提高机组的功率输出，这已被大量的实验结果所证实。

本文主要介绍对机组性能起关键作用的叶片外侧翼型的设计，特别是较薄的15%、18%、21%及25%厚度的翼型，主要应用于兆瓦和多兆瓦级的机组，目的在于显著提高翼型在高雷诺数（1×106-3×106）范围时的升阻比及升力系数。鉴于工作条件的限制，本文基本应用Xfoil软件，对大量现有翼型进行分析，以大弯度思想为指导，进行了新翼型的构想和设计计算。主要考虑：

1.在1×106-3×106的雷诺数范围内与同等厚度的对照翼型比较，力求有尽可能高的升阻比和更高的升力系数，为了简便起见，文中仅以雷诺数Re=3×106，马赫数Ma=0.15为例。

2. 翼型对前缘粗糙度敏感性应足够低，即在叶片粗糙条件下（计算时用吸力面距前缘1%弦长处，压力面距前缘10%弦长处设置固定转捩以模拟叶片表面粗糙度造成的影响），翼型的升阻比应不低于相应的同等厚度的对照翼型。

3. 翼型有钝尾缘，以考虑叶片加工的工艺性及叶片的强度和刚性要求，以往的尖尾缘翼型只有理论意义，实际上是很难达到的。

4. 翼型有S型后加载的压力面。

5. 所有翼型的高性能攻角范围应大于现有同等厚度的对照翼型，以尽量提供其高且稳定的非设计点气动性能。

新翼型的计算结果

该翼型族按其相对厚度包括0.15、0.18、0.21、0.25、0.30，分别命名为SZ-W-150、SZ-W-180、SZ-W-210、SZ-W-250、SZ-W-300等。其中SZ是该翼型族设计人的中文拼音字头（SHEN Zhenhua）， W表示机组专用，最后三位数字表示相对厚度百分数的10倍。如翼型SZ-W-180即指相对厚度为0.18的翼型，各翼型几何外形见图1。

本文基于XFOIL（由美国MIT开发的基于粘性-无粘迭代的涡面元方法的软件，在亚声速失速前状态下的翼型计算具有足够的精度）的Profili Pro软件构造新的翼型，包括相对弯度的大小及位置变化、相对厚度大小及位置的变化、前缘半径及尾缘厚度的变化等，并在雷诺数Re=1e6、3e6 及5e6工况下进行光滑及粗糙条件下的性能计算，最终用RFOIL软件（由DUT、ECN及NLR合作开发的XFOIL 软件的扩展版，专门用于机组翼型设计和气动特性分析的商业软件，比XFOIL有更强的功能，主要优点是改进了失速区域的翼型气动性能的计算稳定性和准确性，并能够求解风轮旋转过程中翼型的空气动力性能） 。对多种现有的（通常用作比较基准的）优秀翼型进行对比计算，最终确定其性能。计算状态选定雷诺数Re= 3×106，马赫数Ma=0.15 ，考虑自由转捩和人工转捩两种，对于人工转捩，翼型吸力面转捩点设在距前缘1%弦长位置，而压力面转捩点设在距前缘10%弦长位置。以下为RFOIL软件的计算结果。

一、SZ-W-150翼型

图2给出了SZ-W-150翼型与NACA63615翼型升阻比特性的计算结果比较。由图可知，SZ-W-150翼型与NACA63615翼型的最大升阻比分别为184.5（6°）和158.0 （3°），提高了16.8%，而且升阻比曲线在高性能（例如升阻比>150）区的攻角范围SZ-W-150比NACA63615翼型也宽得多，从0.5°增加到6.5°。这说明SZ-W-150翼型有宽得多的非设计点性能。在大型机组情况下，风剪切的影响显著，使得叶片翼型在不同运行高度时的尖速比λ变化频繁，工作攻角α甚至变化2°-3°以上；特别是在阵风条件下翼型攻角的变化会更大。SZ-W-150翼型平坦的升阻比曲线提供的宽广的攻角范围可以提高机组的性能，从而提高机组的年发电能力，同时也减少了机组控制系统，例如叶片变桨机构对风况变化反应能力的要求，进一步保证了机组的性能稳定，降低了机组的生产成本。

图3给出了SZ-W-150翼型与NACA63615翼型升力特性的比较。由图可知，SZ-W-150翼型有比较平缓的升力曲线，同时最大升力系数达到1.80，比翼型NACA63615翼型的1.54提高了16.9%。高的翼型升力系数就可以减小叶片设计弦长，从而减小叶片重量和结构载荷，从而降低生产成本等。

二、SZ-W-150翼型

（一） 光滑状态

图4给出了SZ-W-180翼型与DU 96-W-180翼型及NACA64618翼型升阻比特性计算结果的比较。由图可知，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显的提高，高达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%；而且升阻比曲线在高性能（例如升阻比>150）区的攻角范围SZ-W-180翼型比DU 96-W-180翼型及NACA64618翼型也宽得多，从1.5°和2.0°增加到7.5°；而在升阻比>100区，各翼型的高性能攻角范围则分别从6.5°、6.5°增加到12°，因此SZ-W-180同样具有良好的非设计点性能。图5给出了SZ-W-180翼型与DU 96-W-180翼型升力特性的比较。由图可知，SZ-W-180翼型比DU 96-W-180翼型的最大升力系数从1.62提高到1.96，提高了21.0%，提高翼型升力系数对减轻叶片质量、结构载荷及整机总质量，对降低机组的生产成本因而提高性价比等是十分有利的。

（二） 粗糙状态

在SZ-系列翼型的设计中，特别重视翼型对前缘粗糙度的敏感性。除了关心一味强调翼型在粗糙后最大升力系数的变化外，而更应关心粗糙后翼型升阻比性能的变化。图6给出了SZ-W-180翼型与DU 96-W-180翼型在前缘粗糙情况下翼型升阻比的比较。由图可知，SZ-W-180翼型在固定转捩（吸力面0.01C和压力面0.10C）时，其升阻比为89.5，高于DU 96-W-180翼型的75.5，说明SZ-W-180翼型对前缘粗糙度不敏感。

三、SZ-W-210翼型

图7给出了SZ-W-210翼型与DU 93-W-210翼型升阻比特性计算结果的比较，。由图可知，SZ-W-210翼型的最大升阻比达176.6，比DU 93-W-210翼型的155.35提高了13.7%；而且升阻比曲线在高性能（例如升阻比>150）区攻角范围比对照翼型也宽得多，从1.5°增加到6.5°；而在升阻比 > 100的区间，高性能攻角范围则从6.5°增加到11.5°。因此SZ-W-210翼型同样具有良好的非设计点性能，并具有上述就SZ-W-150翼型的说明中的一切优点。

图8给出了SZ-W-210翼型与DU 93-W-210翼型升力特性计算结果的比较。从图中可知，SZ-W-210翼型最大升力系数比DU 93-W-210翼型提高了31.0%，从1.45提高到1.90。提高翼型升力系数对减轻叶片质量、结构载荷及整机总质量，有利于降低生产成本。

同样，SZ-W-250翼型和 SZ-W-300翼型也有类似的特点，即在叶片光滑条件下不仅显著提高了翼型的升阻比特性，而且其高性能工作攻角范围大大拓宽，并且在粗糙条件下具有可接受的较低的粗糙度敏感性。因而SZ-系列翼型族可望是一套优秀的大型机组专用翼型族。

四、 粗糙状态下翼型最佳工作攻角的转移

翼型粗糙度敏感性问题，不仅涉及翼型最大升力系数变化了多少，也涉及翼型升阻比的变化和粗糙状态下翼型最佳工作攻角（工作点）的变化。作者认为，翼型气动性能的优劣，影响最直接的是升阻比，应该重视升阻比在粗糙前后的变化。图9某翼型分别在光滑（自由转捩）和粗糙（固定转捩）状态下的计算结果，由图可知翼型粗糙后，不仅升阻比大大下降，不仅其最佳工作攻角也发生变化，从A点（设计点）攻角变成B点攻角。作者对多个翼型做过计算，仅风剪切对大型机组的的影响，使叶片外侧翼型的攻角变化通常高达2°以上，而在阵风状态，该攻角的变化还将加大。一般机组在运行过程中只根据（翼型光滑状态下）风况的变化调整桨距角，而不会就叶片的粗糙度来调整桨距角，所以如果风况稳定，翼型将一直在初始调定的最佳工作攻角A点（设计点）运行，而不会在粗糙后对应的最佳攻角B点运行，从图9可知，粗糙时在A点运行的翼型性能比B点更差。因此，在新翼型开发时，有必要设定一个新的指标，即限定新翼型粗糙后最佳工作攻角的变化幅度Δα，例如Δα不大于1°，当然越小越好。

本文介绍的SZ-系列翼型就充分考虑了翼型粗糙后最佳攻角的变化问题，图10给出了SZ-W-150翼型粗糙前后的最佳工作攻角变化，其变化在0.5°左右。图11给出了该翼型粗糙前后的升力系数变化，由图可知其粗糙度敏感性很低。这就充分保证SZ-翼型族无论在光滑状态还是粗糙状态都能取得良好的气动性能。

结语

在本文翼型开发过程中，作者先是通过Profili Pro对大量的能够搜集到的优秀翼型进行了分析、计算和比较，还特别关注了近几年国内的几套翼型，并用Rfoil软件进行了对比计算，初步开发出了SZ-系列翼型，该系列翼型已经申请国家发明专利。结果表明：

（1）SZ-系列翼型兼顾了粗糙度敏感性的基本要求，翼型的升阻比性能，特别是翼型的高性能工作攻角范围都明显优于对照翼型，而且翼型粗糙后最佳攻角的变化更小，这对于大型机组叶片性能的进一步提高提供了坚实的基础。

（2）“大弯度翼型”设计思想对于机组翼型开发是可行的，只要谨慎处理翼型前缘粗糙度的影响，就可以达到提高叶片气动性能的目的。

（作者单位：申振华，王建明：沈阳航空航天大学；申鸿烨：沈阳广播电视大学）