高性能大型風電機組專用翼型族的設計

文 | 申振華，申鴻燁，王建明

高性能大型風電機組專用翼型族的設計

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，風電機組的發展趨勢正在向著超大型多兆瓦級、海上機組發展，低風區機組的研發也競爭激烈。在現有技術基礎上，機組的尺寸越做越大，目前Vestas海上8兆瓦機組已經問世，其風輪直徑達164米。10兆瓦以上的機組正在運籌之中。機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，可見機組單機功率增加已經接近瓶頸了。葉片翼型對機組氣動性能的優劣起決定性作用，因此用盡可能小尺寸的機組產生更大功率的途徑應當是首選翼型的創新。針對機組專用翼型的設計，我們進行了大量艱苦細致的工作，開發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，它們比現有同等厚度的對照翼型升阻比和升力系數顯著提高，特別是在高性能區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，因而機組可望有更大、更穩定的功率輸出、更高的功率系數和性價比。

大彎度翼型的提出

機組發展的初期，葉片設計一直照搬NACA-系列航空翼型，后來發現對機組并不適合，因此人們陸續研發出了各種機組專用翼型，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%，這極大地限制了機組做功潛能的發揮。凡是增加翼型彎度的措施都有可能提高機組的做功能力。

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

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、學者的高度評價。但是為什么這樣一個被大家認可的理念多年來卻得不到發展和推廣呢？關鍵是所說的“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用價值的翼型才行。

大彎度翼型的設計及性能優勢

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

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

1.在1×106-3×106的雷諾數范圍內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，為了簡便起見，文中僅以雷諾數Re=3×106，馬赫數Ma=0.15為例。

2. 翼型對前緣粗糙度敏感性應足夠低，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%弦長處設置固定轉捩以模擬葉片表面粗糙度造成的影響），翼型的升阻比應不低于相應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大于現有同等厚度的對照翼型，以盡量提供其高且穩定的非設計點氣動性能。

新翼型的計算結果

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是該翼型族設計人的中文拼音字頭（SHEN Zhenhua）， W表示機組專用，最后三位數字表示相對厚度百分數的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下的翼型計算具有足夠的精度）的Profili Pro軟件構造新的翼型，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Re=1e6、3e6 及5e6工況下進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合作開發的XFOIL 軟件的擴展版，專門用于機組翼型設計和氣動特性分析的商業軟件，比XFOIL有更強的功能，主要優點是改進了失速區域的翼型氣動性能的計算穩定性和準確性，并能夠求解風輪旋轉過程中翼型的空氣動力性能） 。對多種現有的（通常用作比較基準的）優秀翼型進行對比計算，最終確定其性能。計算狀態選定雷諾數Re= 3×106，馬赫數Ma=0.15 ，考慮自由轉捩和人工轉捩兩種，對于人工轉捩，翼型吸力面轉捩點設在距前緣1%弦長位置，而壓力面轉捩點設在距前緣10%弦長位置。以下為RFOIL軟件的計算結果。

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計點性能。在大型機組情況下，風剪切的影響顯著，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組的性能，從而提高機組的年發電能力，同時也減少了機組控制系統，例如葉片變槳機構對風況變化反應能力的要求，進一步保證了機組的性能穩定，降低了機組的生產成本。

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，同時最大升力系數達到1.80，比翼型NACA63615翼型的1.54提高了16.9%。高的翼型升力系數就可以減小葉片設計弦長，從而減小葉片重量和結構載荷，從而降低生產成本等。

二、SZ-W-150翼型

（一） 光滑狀態

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，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從1.62提高到1.96，提高了21.0%，提高翼型升力系數對減輕葉片質量、結構載荷及整機總質量，對降低機組的生產成本因而提高性價比等是十分有利的。

（二） 粗糙狀態

在SZ-系列翼型的設計中，特別重視翼型對前緣粗糙度的敏感性。除了關心一味強調翼型在粗糙后最大升力系數的變化外，而更應關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果的比較，。由圖可知，SZ-W-210翼型的最大升阻比達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計點性能，并具有上述就SZ-W-150翼型的說明中的一切優點。

圖8給出了SZ-W-210翼型與DU 93-W-210翼型升力特性計算結果的比較。從圖中可知，SZ-W-210翼型最大升力系數比DU 93-W-210翼型提高了31.0%，從1.45提高到1.90。提高翼型升力系數對減輕葉片質量、結構載荷及整機總質量，有利于降低生產成本。

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秀的大型機組專用翼型族。

四、 粗糙狀態下翼型最佳工作攻角的轉移

翼型粗糙度敏感性問題，不僅涉及翼型最大升力系數變化了多少，也涉及翼型升阻比的變化和粗糙狀態下翼型最佳工作攻角（工作點）的變化。作者認為，翼型氣動性能的優劣，影響最直接的是升阻比，應該重視升阻比在粗糙前后的變化。圖9某翼型分別在光滑（自由轉捩）和粗糙（固定轉捩）狀態下的計算結果，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生變化，從A點（設計點）攻角變成B點攻角。作者對多個翼型做過計算，僅風剪切對大型機組的的影響，使葉片外側翼型的攻角變化通常高達2°以上，而在陣風狀態，該攻角的變化還將加大。一般機組在運行過程中只根據（翼型光滑狀態下）風況的變化調整槳距角，而不會就葉片的粗糙度來調整槳距角，所以如果風況穩定，翼型將一直在初始調定的最佳工作攻角A點（設計點）運行，而不會在粗糙后對應的最佳攻角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，在新翼型開發時，有必要設定一個新的指標，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還是粗糙狀態都能取得良好的氣動性能。

結語

在本文翼型開發過程中，作者先是通過Profili Pro對大量的能夠搜集到的優秀翼型進行了分析、計算和比較，還特別關注了近幾年國內的幾套翼型，并用Rfoil軟件進行了對比計算，初步開發出了SZ-系列翼型，該系列翼型已經申請國家發明專利。結果表明：

（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，這對于大型機組葉片性能的進一步提高提供了堅實的基礎。

（2）“大彎度翼型”設計思想對于機組翼型開發是可行的，只要謹慎處理翼型前緣粗糙度的影響，就可以達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；申鴻燁：沈陽廣播電視大學）