[发明专利]一种新型高鲁棒性的高升阻比风力机层流翼型

说明书

本发明提出一种新型高鲁棒性的高升阻比风力机层流翼型，所述翼型由前缘、后缘以及位于所述前缘和后缘之间的上弧线和下弧线构成；所述翼型的前缘半径r与翼型弦长c之比为r/c＝0.942％，最大厚度a与翼型弦长c之比为a/c＝20.25％，最大厚度位置位于x/c＝30.62％处，最大弯度b与翼型弦长c之比为b/c＝2.15％，最大弯度位置位于x/c＝70.8％处，后缘厚度w与翼型弦长c之比为w/c＝0.26％；x为沿着翼型弦线方向从所述前缘到所述后缘的距离，r/c，a/c，b/c，x/c和w/c的值分别能够具有±3％的最大误差。本发明针对粗糙翼型状态的设计同时兼顾了光滑状态的性能，在叶片全使用周期内具有更高气动性能和鲁棒性。

技术领域

本发明涉及风力机气动外形设计中的翼型设计领域，具体为一种能够在表面光滑和粗糙环境下均具有优越气动特性的高鲁棒性高升阻比风力机层流翼型。

背景技术

目前人类开发利用的清洁能源中，风力发电是对环境影响较小的一种方式。风能不但没有任何污染，属于可再生资源，而且蕴含量巨大。据中国气象科学研究院估算，我国风能资源总储量排名世界第三。如果能对风能进行充分高效的利用，将产生巨大的经济和环境保护效益。

叶片是构成风力机的核心部件之一，叶片的气动性能直接影响风力机发电效率及载荷特性等。而翼型则是风力机叶片的灵魂，其设计是叶片设计的基础和核心技术。通常，翼型在低速工况下表面边界层的流动常处于层流状态，翼型表面边界层抗逆压梯度能力较弱，容易过早的产生流动分离，从而对翼型性能产生严重影响。高性能风力机翼型的气动优化设计研究，对于提高叶片的风能捕获能力、降低叶片的重量和相应的系统载荷具有重要的意义。

与航空翼型相比，风力机翼型要求较大的相对厚度，要求全风速范围有较大的最大升力；对于失速控制，风力机要求限制最大升力，风力机翼型要求失速后升力的变化和缓，要求气动特性对粗糙度不敏感等。瑞典航空研究院(FFA)设计了FFA-W3-211、FFA-W3-241和FFA-W3-301三种翼型，相对厚度分别为21.1％，24.1％和30.1％。FFA系列翼型与NACA系列翼型相比相对厚度更大，升力系数也较高。

众所周知，翼型设计时都是在光滑表面状态下进行计算和分析以及设计，但是由于风力机实际工作环境复杂，腐蚀、风化、灰尘颗粒和昆虫尸体附着、表面水汽凝结和结冰，都会使得风力机表面形成粗糙表面的状态，从而使得原本设计的气动特性大幅度降低。

国内关于风力机层流翼型设计并且考虑粗糙度影响的专利大部分都只是突出高升阻比和低粗糙度敏感性中的一种。而考虑两者兼顾的又主要集中于翼型最大升力系数工况，而没有针对较小迎角气动特性进行优化的翼型。且仅考虑边界层内流动从层流变为湍流带来的影响，没有考虑工程实际中出现的表面粗糙高度大于100μm情形。而在翼型边界层内流动全为湍流时，继续增大粗糙度会进一步消耗流动的动量，使得流动更容易分离，翼型升力降低、阻力增大。因此没有考虑大粗糙度影响的翼型难以保证在全寿命周期内的气动性能和鲁棒性。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有风力机翼型的问题，本发明提出了一种适用于复杂作业环境下的考虑粗糙元影响的高鲁棒性高升阻比风力机层流翼型，以瑞典FFA-W3-211翼型为基准翼型进行优化和设计，最终获得光滑表面和粗糙表面均具有较高升阻比的新型层流翼型。

本发明的技术方案为：

所述一种新型高鲁棒性的高升阻比风力机层流翼型，所述翼型由前缘、后缘以及位于所述前缘和后缘之间的上弧线和下弧线构成；所述翼型的前缘半径r与翼型弦长c之比为r/c＝0.942％，最大厚度a与翼型弦长c之比为a/c＝20.25％，最大厚度位置位于x/c＝30.62％处，最大弯度b与翼型弦长c之比为b/c＝2.15％，最大弯度位置位于x/c＝70.8％处，后缘厚度w与翼型弦长c之比为w/c＝0.26％；x为沿着翼型弦线方向从所述前缘到所述后缘的距离，r/c，a/c，b/c，x/c和w/c的值分别能够具有±3％的最大误差。