專利名稱：風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉尖專用翼型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力機(jī)部件，特別涉及一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉尖專用翼型。
背景技術(shù)：
風(fēng)能作為一種綠色能源，是解決能源問題、改善生態(tài)環(huán)境和減少二氧化碳排放的 有效手段。風(fēng)力機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能等能源的中間設(shè)備，風(fēng)力機(jī)依靠風(fēng)輪葉輪汲取風(fēng)能， 葉輪的葉片翼型的氣動(dòng)性能直接影響著風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用的效率。由于三維效應(yīng)的影響，風(fēng)力機(jī)葉片的葉尖區(qū)域往往產(chǎn)生復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，特別是 葉尖渦的產(chǎn)生會(huì)使速度虧損值增加，風(fēng)輪功率下降。在不增大風(fēng)力機(jī)葉輪直徑的情況下，對(duì) 于風(fēng)力機(jī)葉尖翼型性能的研究對(duì)提高風(fēng)力機(jī)的發(fā)電功率有著非常重要的影響。研究表明對(duì)于大型風(fēng)力機(jī)來說，具有較大的最大升力系數(shù)的翼型對(duì)減小風(fēng)輪實(shí) 度，增大啟動(dòng)力矩都有積極的作用。為使風(fēng)力機(jī)的年輸出功率得到提高，使單位發(fā)電量成本 降低，在風(fēng)力機(jī)葉片的葉尖部分應(yīng)該使用擁有較高的最大升力系數(shù)的翼型。同時(shí)風(fēng)力機(jī)翼 型的阻力系數(shù)應(yīng)該保持在一個(gè)較低的范圍內(nèi)，這體現(xiàn)為較高的升阻比系數(shù)。并且，由于葉尖 翼型的失速特性對(duì)整個(gè)葉輪的動(dòng)力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生巨大的影響，從而又影響到整個(gè)葉輪的結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)，所以葉尖翼型的失速特性顯得十分重要。為了減小葉片的氣動(dòng)力激勵(lì)，如失速震 顫等，應(yīng)當(dāng)使用具有較平緩失速性能的翼型。風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪直徑越大，高升力且擁有平緩失速 性能的葉尖翼型就顯得越為重要。另外，由于風(fēng)力機(jī)葉片表面容易受到粉塵污染、昆蟲污 染、結(jié)冰和風(fēng)蝕而破壞表面光潔度，使葉片表面變得粗糙，特別當(dāng)翼型前緣粗糙時(shí)將導(dǎo)致翼 面邊界層轉(zhuǎn)捩位置前移，轉(zhuǎn)捩后邊界層厚度增加，減少了翼型的彎度，從而減小最大升力系 數(shù)，嚴(yán)重影響翼型的氣動(dòng)特性，所以還應(yīng)該考慮翼型的前緣粗糙度敏感性。然而，失速性能平緩的翼型的最大升力系數(shù)一般都比較小，而具有較大的最大升 力系數(shù)的翼型又往往具有十分尖銳的失速性能。而即使兩者都能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，翼型的 氣動(dòng)性能仍有可能受到較大阻力系數(shù)或前緣粗糙度的影響。因此，目前需要提出一種具有較大的最大升力系數(shù)，最大升阻比，失速性能平穩(wěn)， 而且前緣部分粗糙度增加后依然能夠保持良好氣動(dòng)性能的葉尖翼型，以適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī) 葉片。
發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉尖專用翼型，具有較大的最大升力系數(shù)， 最大升阻比，失速性能平穩(wěn)，而且前緣部分粗糙度增加后依然能夠保持良好氣動(dòng)性能的葉 尖翼型，以適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片。本發(fā)明的一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉尖專用翼型，翼型采用PARSEC翼型表達(dá)方法，方程為 Z kPARSEC = i < .X ，其中k = 1時(shí)表示上翼面，k = 2時(shí)表示下翼面， 為翼面
^parsec
Z軸坐標(biāo)，X為弦長(zhǎng)方向的位置，α:為決定翼型形狀的參數(shù)；將參數(shù)0. 01 < r < 0. 16,0. 1<Xup<0．5、0．02<Zup<0．3、0<Z。。up<4、0．1<XdYy<0．5、0．05<ZdYy<0．3、0<Z。。dYy<5、0’<0<30’和5’<13<30’代入Z乙／／．v(、 ∑0；．x’可得以下2組6元方程組
方程組一 [OOl6] 將參數(shù)r、Xup＼Zup＼Z。。up 0和p代入方程組一，求出系數(shù)a／tI(／21,2…6)[OOT7) 方程組二[OOl9] 將r、XdW＼ZdW＼Z。。dW＼0和p代入方程組一，求出系數(shù)O(／2=1,2…6)
將求得的真z("二1,2…6)代+‘乙nJAT．’ ’圣、<r／7．k r’一，即得下翼面型線；
， OX
解集的個(gè)數(shù)限制為κ ι、< 2 a2z/Tc = ο的解集的個(gè)數(shù)限制為ζ々2=1 < ι
^=2‘OXJ
= ο的解集的個(gè)數(shù)限制為;< J;進(jìn)一步，翼型在Z方向上的厚度與X方向的弦長(zhǎng)之比值為 MAX Z、贓 “Z 2蘭c < 0 16，其中，c為χ方向的弦長(zhǎng)；進(jìn)一步，所述翼型優(yōu)化模型采用基于非支配排序的NSGA II遺傳算法，設(shè)置初始種 群大小c = 50，最大進(jìn)化代數(shù)g = 30，交叉概率為P。= 1，變異概率為Pm = 0. 1。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉尖專用翼型，基于翼型型線優(yōu)化設(shè)計(jì) 模型，以PARSEC翼型表達(dá)方法的9個(gè)控制參數(shù)為變量，設(shè)計(jì)出適用于葉片葉尖的翼型型線， 在正常工作攻角范圍內(nèi)，具有很高的升力系數(shù)和升阻比，其失速性能非常平緩，并且具有很 好的前緣粗糙度不敏感性，使得風(fēng)力機(jī)即使在前緣結(jié)冰或被污染的情況下依然能夠正常工 作，很好的適應(yīng)了風(fēng)力機(jī)葉片葉尖部分的氣動(dòng)性能要求。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。圖1為本發(fā)明的翼型圖；圖2為本發(fā)明翼型的升力系數(shù)隨攻角的變化曲線；圖3為本發(fā)明翼型的升阻比隨攻角的變化曲線。
具體實(shí)施例方式圖1為本發(fā)明的翼型圖，圖2為本發(fā)明翼型的升力系數(shù)隨攻角的變化曲線，圖3為 本發(fā)明翼型的升阻比隨攻角的變化曲線，如圖所示本實(shí)施例的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉尖專用翼型，
翼型采用PARSEC翼型表達(dá)方法，方程為Z ^iffir = Σ心jY，其中k=l時(shí)表示上翼
η = 1
面，k = 2時(shí)表示下翼面，為翼面Z軸坐標(biāo)，X為弦長(zhǎng)方向的位置，為決定翼型形狀 的參數(shù)；將參數(shù) 0. 01 < r < 0. 16,0. 1 < Xup < 0. 5,0. 02 < Zup < 0. 3、0 < Zxxup < 4,0. 1 < Xdw < 0. 5、0· 05 < Zdw < 0. 3、0 < Zxxdw < 5、0° < θ <30° 和 5° < β <30° 代入
ζ Lsir = Σ心^ 可得以下2組6元方程組
η = 1方程組一a I = 4 7Z1PARSEC |χ=] = 0Z1parsec χ=Χιφ Zup
。
。^parsec=χ
χ=λ upxxup將參數(shù)r、Xup、Zup、Zxxup、θ 和 β 代入方程組一，求出系數(shù)= 1,2.··6)；
6 "-1將求得的，^ ,JXXZkpARSFC =2即得上翼面型線；
0 = 1,2…6) 」 tt方程組二a； = -JY7Z2parsec |χ=] =0
^, 2 rν = Z .
PARSEC X=Xdwaw0^PARSEC= 0
dx xdz^RSEc j+
dx/ z
Q2Z2。^PARSECZ
X~^dwxxaw將r、Xdw、Zdw、Zxxdw, θ 和 β 代入方程組一，求出系= 1,2...6)；
6 ” - 1將求得的乂(" = 1,2…6)代xz^i = Σ，即得下翼面型線；Γ-前緣半徑；Xup-上翼面型線當(dāng)Z坐標(biāo)值取最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的X方向坐標(biāo)值； Zup-上翼面型線的Z坐標(biāo)最大值；zxxup-上翼面型線當(dāng)Z坐標(biāo)取最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的曲率； Xdw-下翼面型線當(dāng)Z坐標(biāo)值取最小值時(shí)對(duì)應(yīng)的X方向坐標(biāo)值；Zdw-下翼面型線的Z坐標(biāo)最 小值；Zxxdw-下翼面型線當(dāng)Z坐標(biāo)取最小值時(shí)對(duì)應(yīng)的曲率；θ —翼型尾緣處方向角；β —翼 型尾緣角。本實(shí)施例中，為避免由于PARSEC方法可能導(dǎo)致的不規(guī)則形狀的出現(xiàn)，對(duì)生成 的函數(shù)進(jìn)行約束將= 0的解集的個(gè)數(shù)限制為;Sf^1 二 1= 0的
dx？ οχ
解集的個(gè)數(shù)限制為1 g X^2 < 2 d2z}——= ο的解集的個(gè)數(shù)限制為X^1 <1
j OX，
d2z^f- = ο的解集的個(gè)數(shù)限制為；^2—2 < 1。本實(shí)施例中，圖1中縱坐標(biāo)為翼型在Z方向上的厚度與X方向整個(gè)翼型弦長(zhǎng)之比值為M4Z Z ,W “ Z Ia,^c < ρ ]6，橫坐標(biāo)為X方向翼型各點(diǎn)的坐標(biāo)與X方向整個(gè)翼
型弦長(zhǎng)之比值1，其中，C為X方向的整個(gè)翼型弦長(zhǎng)；使得本發(fā)明的翼型適用于 葉片的葉尖部分。本實(shí)施例中，翼型為工作在大中型風(fēng)力機(jī)葉尖部分的翼型，選擇設(shè)計(jì)工況為雷諾 數(shù)Re = 3. 8 X IO6,馬赫數(shù)Ma = 0. 15。在翼型的設(shè)計(jì)過程中，選取PARSEC方法中的9個(gè)參 數(shù)作為控制變量；翼型的目標(biāo)函數(shù)定義為升力系數(shù)Cl、阻力系數(shù)Cd及失速特性Δ ；翼型在自由轉(zhuǎn)捩條件下的最大升力系數(shù)C1FT、最大升阻比Cl/CdFT以 及失速特性Aft ；其中，失速特性通過最大升阻比附近的平方均差來表示
Δ = Σ (Cl I Cd ρ, - Cl !Cda__n)2，其中i為升阻比Cl/Cd取得最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的攻角 a的取值?？紤]翼型的前緣粗糙度敏感性，將強(qiáng)制轉(zhuǎn)捩條件下的最大升力系數(shù)CIct、最大升阻 比Cl/CdCT以及失速特性Act也納入優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)中去。于是，優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)總共為6個(gè)C1FT，Cl/CdFT，Aft，CIct, Cl/CdCT, ACT。優(yōu)化模型采用基于非支配排序的NSGAII遺傳算法，設(shè)置初始種群大小c = 50，最 大進(jìn)化代數(shù)g = 30，交叉與變異概率分別為P。= 1，Pm = 0. 1。經(jīng)過30代的優(yōu)化得到一系列翼型。這里給出了在Z方向上的厚度與X方向的弦 長(zhǎng)的最大比值為0. 1487的翼型，生成該翼型的PARSEC參數(shù)如下表 該翼型的幾何參數(shù)如下表 使用XFOIL軟件作為流體求解器，對(duì)本發(fā)明提出的翼型的氣動(dòng)性能進(jìn)行了計(jì)算分 析。雷諾數(shù)Re = 3. 8X IO6時(shí)，該翼型在自由轉(zhuǎn)捩和強(qiáng)制轉(zhuǎn)捩情況下的C1FT，Cl/CdFT，Aft， CIct, Cl/CdCT, Act 見下表翼型的基本氣動(dòng)性能 自由轉(zhuǎn)捩氣動(dòng)性能 強(qiáng)制轉(zhuǎn)捩氣動(dòng)性能表 由以上三個(gè)表可見，本發(fā)明的翼型擁有較大的最高升力系數(shù)2. 0122。當(dāng)攻角為 。時(shí)，擁有最大升阻比116.49。由于在攻角大于5°以后，自由轉(zhuǎn)捩的轉(zhuǎn)捩發(fā)生點(diǎn)與強(qiáng)制 轉(zhuǎn)捩相同，導(dǎo)致其氣動(dòng)性能沒有差別，所以該翼型具有十分良好的粗糙度不敏感性。自由轉(zhuǎn) 捩與強(qiáng)制轉(zhuǎn)捩兩種情況下的失速特性平方差都較小，分別為23. 688和122. 29 ；而且由圖3 也可直觀的看出，該翼型的升阻比在最大升阻比附近的變化非常平穩(wěn)。綜上所述，本發(fā)明的 翼型基于以上的翼型型線優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，以PARSEC翼型表達(dá)方法的9個(gè)控制參數(shù)為變量， 以自由轉(zhuǎn)捩和強(qiáng)制轉(zhuǎn)捩條件下的最大升力系數(shù)、最大升阻比以及失速特性為目標(biāo)函數(shù)，基 于NSGA II遺傳算法，完全符合NREL所提出的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片葉尖翼型的要求。最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較 佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技 術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本 發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉尖專用翼型，其特征在于翼型采用PARSEC翼型表達(dá)方法，方程為其中k＝1時(shí)表示上翼面，k＝2時(shí)表示下翼面，為翼面Z軸坐標(biāo)，X為弦長(zhǎng)方向的坐標(biāo)，為決定翼型形狀的參數(shù)；將參數(shù)0.01＜r＜0.16、0.1＜Xup＜0.5、0.02＜Zup＜0.3、0＜Zxxup＜4、0.1＜Xdw＜0.5、0.05＜Zdw＜0.3、0＜Zxxdw＜5、0°＜θ＜30°和5°＜β＜30°代入可得以下2組6元方程組方程組一 <mrow><msubsup> <mi>a</mi> <mn>1</mn> <mn>1</mn></msubsup><mo>=</mo><msqrt> <mn>2</mn> <mi>r</mi></msqrt> </mrow> <mrow><msubsup> <mi>Z</mi> <mi>PARSEC</mi> <mn>1</mn></msubsup><msub> <mo>|</mo> <mrow><mi>x</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mrow><msubsup> <mi>Z</mi> <mi>PARSEC</mi> <mn>1</mn></msubsup><msub> <mo>|</mo> <mrow><mi>x</mi><mo>=</mo><msub> <mi>X</mi> <mi>up</mi></msub> </mrow></msub><mo>=</mo><msub> <mi>Z</mi> <mi>up</mi></msub> </mrow> <mrow><mfrac> <msubsup><mrow> <mo>∂</mo> <mi>Z</mi></mrow><mi>PARSEC</mi><mn>1</mn> </msubsup> <mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi> </mrow></mfrac><msub> <mo>|</mo> <mrow><mi>x</mi><mo>=</mo><msub> <mi>X</mi> <mi>up</mi></msub> </mrow></msub><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mrow><mfrac> <msubsup><mrow> <mo>∂</mo> <mi>Z</mi></mrow><mi>PARSEC</mi><mn>1</mn> </msubsup> <mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi> </mrow></mfrac><msub> <mo>|</mo> <mrow><mi>x</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>=</mo><mo>-</mo><mi>tan</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>θ</mi> <mo>+</mo> <mi>β</mi> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mfrac> <mrow><msup> <mo>∂</mo> <mn>2</mn></msup><msubsup> <mi>Z</mi> <mi>PARSEC</mi> <mn>1</mn></msubsup> </mrow> <msup><mrow> <mo>∂</mo> <mi>x</mi></mrow><mn>2</mn> </msup></mfrac><msub> <mo>|</mo> <mrow><mi>x</mi><mo>=</mo><msub> <mi>X</mi> <mi>up</mi></msub> </mrow></msub><mo>=</mo><msub> <mi>Z</mi> <mi>xxup</mi></msub> </mrow>將參數(shù)r、Xup、Zup、Zxxup、θ和β代入方程組一，求出系數(shù)將求得的代入即得上翼面型線；方程組二 <mrow><msubsup> <mi>a</mi> <mn>1</mn> <mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><msqrt> <mn>2</mn> <mi>r</mi></msqrt> </mrow> <mrow><msubsup> <mi>Z</mi> <mi>PARSEC</mi> <mn>2</mn></msubsup><msub> <mo>|</mo> <mrow><mi>x</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mrow><msubsup> <mi>Z</mi> <mi>PARSEC</mi> <mn>2</mn></msubsup><msub> <mo>|</mo> <mrow><mi>x</mi><mo>=</mo><msub> <mi>X</mi> <mi>dw</mi></msub> </mrow></msub><mo>=</mo><msub> <mi>Z</mi> <mi>dw</mi></msub> </mrow> <mrow><mfrac> <msubsup><mrow> <mo>∂</mo> <mi>Z</mi></mrow><mi>PARSEC</mi><mn>2</mn> </msubsup> <mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi> </mrow></mfrac><msub> <mo>|</mo> <mrow><mi>x</mi><mo>=</mo><msub> <mi>X</mi> <mi>dw</mi></msub> </mrow></msub><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mrow><mfrac> <msubsup><mrow> <mo>∂</mo> <mi>Z</mi></mrow><mi>PARSEC</mi><mn>2</mn> </msubsup> <mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi> </mrow></mfrac><msub> <mo>|</mo> <mrow><mi>x</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>=</mo><mo>-</mo><mi>tan</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>θ</mi> <mo>+</mo> <mi>β</mi> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mfrac> <mrow><msup> <mo>∂</mo> <mn>2</mn></msup><msubsup> <mi>Z</mi> <mi>PARSEC</mi> <mn>2</mn></msubsup> </mrow> <msup><mrow> <mo>∂</mo> <mi>x</mi></mrow><mn>2</mn> </msup></mfrac><msub> <mo>|</mo> <mrow><mi>x</mi><mo>=</mo><msub> <mi>X</mi> <mi>dw</mi></msub> </mrow></msub><mo>=</mo><msub> <mi>Z</mi> <mi>xxdw</mi></msub> </mrow>將r、Xdw、Zdw、Zxxdw、θ和β代入方程組一，求出系數(shù)將求得的代入即得下翼面型線；r-前緣半徑；Xup--上翼面型線當(dāng)Z坐標(biāo)值取最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的X方向坐標(biāo)值；Zup--上翼面型線的Z坐標(biāo)最大值；Zxxup--上翼面型線當(dāng)Z坐標(biāo)取最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的曲率；Xdw--下翼面型線當(dāng)Z坐標(biāo)值取最小值時(shí)對(duì)應(yīng)的X方向坐標(biāo)值；Zdw--下翼面型線的Z坐標(biāo)最小值；Zxxdw--下翼面型線當(dāng)Z坐標(biāo)取最小值時(shí)對(duì)應(yīng)的曲率；θ--翼型尾緣處方向角；β--翼型尾緣角。FSA00000173476300011.tif,FSA00000173476300012.tif,FSA00000173476300013.tif,FSA00000173476300014.tif,FSA000001734763000111.tif,FSA000001734763000112.tif,FSA000001734763000113.tif,FSA00000173476300026.tif,FSA00000173476300027.tif,FSA00000173476300028.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉尖專用翼型，其特征在于將^f^=0 的解集的個(gè)數(shù)限制為111 = 1 ’dZ、:r = 0的解集的個(gè)數(shù)限制為；[S χ。2 < 2， 5 2^iTc = ο的解集的個(gè)數(shù)限制為ι 2 < ι d2zJ^ = ο的解集的個(gè)數(shù)限制為
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉尖專用翼型，其特征在于翼型在Z方向上的 厚度與X方向的弦長(zhǎng)之比值為M4X Z、'膨.^ z^-< 0.16，其中，C為X方向的弦長(zhǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉尖專用翼型，其特征在于所述翼型優(yōu)化模型 采用基于非支配排序的NSGA II遺傳算法，設(shè)置初始種群大小c = 50，最大進(jìn)化代數(shù)g = 30，交叉概率為P。= 1，變異概率為Pm = 0. 1。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉尖專用翼型，本基于翼型型線優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，以parsec翼型表達(dá)方法的9個(gè)控制參數(shù)為變量，設(shè)計(jì)出適用于葉片葉尖的翼型型線，在正常工作攻角范圍內(nèi)，具有很高的升力系數(shù)和升阻比，其失速性能非常平緩，并且具有很好的前緣粗糙度不敏感性，使得風(fēng)力機(jī)即使在前緣結(jié)冰或被污染的情況下依然能夠正常工作，很好的適應(yīng)了風(fēng)力機(jī)葉片葉尖部分的氣動(dòng)性能要求。
文檔編號(hào)F03D11/00GK101886619SQ201010218860
公開日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月7日
發(fā)明者任志貴, 龐曉平, 陸群峰, 陳進(jìn) 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)