风力机叶片气动外形设计论文_吴映芳,赵春妮

（中科国风科技有限公司天津市 300000）

摘要：风力发电机组叶片的气动特性直接影响到机组效率，考虑了风力机叶片气动损失，运用气动优化软件对风力机叶片进行了气动设计。叶片从叶根到叶尖采用了不同翼型，以满足叶片强度和气动性能的要求。不同翼型之间采用了样条插值后的过渡翼型。在所设计的风力机叶片基础上，详细计算了叶片的气动性能。计算结果与实际运行结果非常接近，表明该叶片具有良好的气动性能，满足客户的使用要求。

关键词：风力发电机组叶片；叶尖速比；翼型；弦长；扭角；气动优化软件

引言

风力发电是一种无污染、无需原料的清洁发电形式。根据Betz理论，人们能从风中摄取的最大功率为风功率的59.3%[1，4]。然而这只是在完全没有损失的理想条件下，现代水平轴风力机的最大风能利用率一般在50%左右。叶片气动损失是导致风能利用率不能达到59.3%的重要原因之一。因此，在风力机叶片设计中需要合理选择翼型，减小气动损失的影响。

1 叶片设计

叶片气动设计的目的是降低风力机叶片的气动损失，运用气动优化软件设计考虑了风力机叶片的气动损失，同时对设计好的叶片进行了性能计算。

1.1设计要求

本项目是与某整机厂合作开发，其基本参数为：空气密度：1.225kg/m3；设计等级；GL IIA；风剪切指数：0.2；入流角：8°；切入风速：3 m/s；额定风速：≤12.5 m/s；切出风速：25 m/s；叶片长度：48.8m，额定功率为2500kW。

2外形优化设计理论

2.1翼型的选择

叶片的中间区域采用DU翼型，其相对厚度范围为40%-25%，叶尖区域采用NACA翼型，其相对厚度范围为21%-15%。对于厚翼型DU，其相对厚度为40%、35%、25%的翼型的最大厚度位于距前缘30%处，而相对厚度为30%的翼型有两种分别是DU97-W-300和DU00-W-300，后者的最大厚度位置偏向后缘，叶片成型时不容易光顺过渡，所以采用DU97-W-300。

叶尖区域采用NACA族翼型考虑了如下几个因素：

1）叶尖区域运用NACA族翼型的叶片较多，实际运行效果良好，可供我们借鉴，而运用DU族翼型的叶片很少。

2）DU薄翼型DU96-W-180相比NACA64618，其最大升力系数所对应的迎角较大，容易过早失速，实用性较差。

3）DU00-W-212和NACA64618的几何匹配特性差，所以只能选择NACA63421。

4）FFA-W3-212本可以替代NACA63421，但由于前者只有小雷诺数对应的风洞实测数据，不能满足设计要求。

根据上述条件，最终选择翼型有：圆形、DU00-W2-401、DU00-W2-350、DU97-W-300、DU91-W2-250、NACA 63421、NACA 64618。

2.2优化准则

采用动量叶素理论，以最大年发电量作为优化目标，采用气动外形优化软件，对于给定的Weibull分布、相对厚度的分布，优化弦长和扭角。以尺度参数A和形状参数k来表征其分布。