大型风力机翼型族的设计与实验

翼型是构成风力机叶片的基本要素,是风力机叶片设计的基础.发展适用于大型风力机叶片的高性能翼型,对于提高其风能捕获能力、减少重量以节约制造和运输成本、减轻惯性载荷和阵风载荷等具有重要意义.首先,回顾了上个世纪90年代以来风力机翼型族研究的发展历程,介绍了国外发展的S系列、DU系列、RIS系列、FFA系列等翼型族.其次,针对兆瓦级大型风力机翼型设计的技术要求,介绍了西北工业大学NPU-WA翼型族的设计、风洞实验及改进.最后,给出了多兆瓦级风力机翼型族的研究展望.

NPU-WA翼型族厚翼型粗糙敏感度研究

研究NPU-WA风力机专用翼型族4个厚翼型(相对厚度25%、30%、35%和40%)的粗糙敏感度,并与相同厚度的经典风力机翼型进行比较。结果表明NPU-WA厚翼型满足气动设计要求,前缘粗糙度对NPU-WA翼型的影响和DU系列相同厚度翼型的影响非常类似,但翼型总体性能要优于后者。

NPU-WA系列风力机翼型设计与风洞实验

针对兆瓦级大型风力机,研究发展了以具有更优良高雷诺数和高升力气动性能为特点的NPU-WA翼型族,风洞实验表明,该翼型族达到了在高雷诺数、高升力条件下实现高升阻比和外侧翼型对粗糙度不敏感的主要设计要求,为我国自主研发大型风力机提供了可以实际使用的翼型几何数据和雷诺数范围内1.0×106～5.0×106的风洞实验数据。

基于响应面方法的风力机叶片多目标优化设计研究

运用基于响应面方法的优化设计技术,于径向使用NPU-WA-风力机专用翼型族的某1.5MW水平轴风力机叶片的多目标、多约束优化设计研究中。风力机气动性能使用基于叶素-动量理论的风力机性能分析和设计软件PROPID51。设计变量为叶片径向外形参数,包括弦长和扭转角分布,但是相对厚度保持不变;设计目标为年发电量和功率系数的最大化;在多目标优化中,使用"统一目标函数"法将多个设计目标函数通过加权求和统一到一个目标函数中。为减小计算量,响应面模型使用不含二阶交叉项的二阶多项式模型;构建模型中试验点的选择满足D-优化准则。以某1.5MW变速变矩型风力机叶片为例,进行了优化设计研究。叶片径向使用西北工业大学翼型研究中心设计的NPU-WA-风力机专用翼型族,使用CFD计算的气动性能数据作为输入进行了设计,分析了目标函数的权值分配对设计结果的影响;使用风洞测量自由转捩的气动性能数据进行了设计并分析了表面光滑条件对气动性能的影响。

基于响应面方法的风力机叶片优化设计研究

基于响应面(RSM)优化设计方法进行了水平轴风力机(HAWT)叶片的多目标优化设计研究。风力机气动性能预测使用基于动量叶素(BEM)理论的性能分析和反设计程序PROPID51。设计目标为功率系数和年发电量的最大化,设计变量为叶片径向站位上的弦长和扭转角分布。响应面模型使用不含二阶交叉项的二阶多项式,可在保证模型精度的同时大大减小计算花费;构造模型时试验点的选择满足D-优化准则;使用统一目标函数法将多个设计目标统一到一个目标函数中。以某1.5MW变距型风力机叶片为例,径向使用新设计的WA-族高性能风力机专用翼型,进行叶片多目标多约束优化设计研究;分析统一目标函数中权值分配对设计结果的影响,并分别使用CFD计算的翼型气动数据和风洞测量气动数据作为输入进行设计,分析两种数据对设计结果的影响及叶片前缘污染对风力机气动性能的影响。

基于钝尾缘翼型叶片的三维风力机性能分析

随着风力机向大型化发展,为有效提升风力机叶片的性能以及结构强度,将钝尾缘翼型应用于风力机叶片设计。以NACA639XX系列翼型为基准翼型,通过Hicks-Henne型函数和钝尾缘函数对翼型进行参数化拟合,使用多岛遗传算法优化得到层流钝尾缘翼型族(USST-XXX)。将此翼型族中相对厚度为21%的USST-211翼型与NACA63921层流翼型替换NREL PhaseVI叶片截面的S809翼型,建模得到两种三维风力机叶片,采用数值模拟的方法,对这两种叶片不同风速下的流场进行分析,并与NREL Phase VI风力机叶片的气动性能进行对比。数值模拟结果表明,在额定风速附近,采用层流钝尾缘翼型所构造的新叶片风力机的风能利用系数高于其他两种叶片。研究结果表明优化得到的层流钝尾缘翼型族可以有效提升风力机气动性能,在大型水平轴风力机叶片设计方面具有良好的应用前景。