2.5　叶片专用翼型设计及发展

风力机的运行效率和可靠性与翼型气动性能密切相关。早期风力机叶片设计时首选的是比较成熟、升阻特性较好的传统航空翼型，但实践表明这些翼型并不能很好地满足设计和使用要求。风力机专用翼型与传统的航空翼型有以下不同：

（1）风力机叶片是在低雷诺数下运行，这时翼型边界层的特性发生变化。

（2）航空翼型主要要求在失速攻角附近具有和缓失速特性，而风力机翼型则必须在失速后的所有攻角下都具有和缓的升力变化。

（3）风力机作偏航运动时，叶片各剖面处的攻角呈周期性变化，需要考虑翼型的动态失速特性。

（4）航空翼型按光滑表面设计，而风力机叶片在大气近地层运行，沙尘、昆虫、雨滴和油污等会使叶片表面的粗糙度增加，影响翼型空气动力特性，因此风力机翼型设计必须考虑粗糙度_的影响，要求所有设计翼型的性能对粗糙度不敏感，图2-18为针对两个翼型NACA63 425和DU91-W2-250，粗糙度对气动力影响示意图。

（5）航空翼型是尖后缘翼型，而风力机翼型后缘一般做加厚处理。

（6）航空翼型的相对厚度一般为4%～18%，风力机从结构强度和刚度考虑，翼型的相对厚度较大，一般为15%～53%。

在风力机翼型选用过程中，翼型的升阻比（升力系数Cl和阻力系数Cd在不同攻角下的比值）是重要的参考因素。由图2-18中可见，风力机专用翼型升力系数在粗糙表面的情况下下降为14.28%左右，而翼型NACA 63-425升力系数在粗糙表面情况时下降约为53.54%。

2.5.1　风力机专用翼型发展现状

自20世纪80年代起，美国和欧洲的丹麦、瑞典、荷兰、德国等风电产业发达的国家陆续进行了风力机先进翼型的研究。为了设计出具有更大风能捕获能力和低气动载荷的高性能叶片，先后出现了失速型风力机/变桨距型风力机和变速型风力机。这些风力机由于运行方式不同，对功率峰值控制的要求截然不同，因此，对于叶尖翼型的最大升力和最大升阻比具有多种不同的需求。

1.NREL S翼型族

从1984年开始，美国可再生能源实验室（NREL）针对不同大小的风力机先后设计了九个S翼型族共计25个翼型，如图2-19所示，并见表2-2。

NREL翼型具有最大升力系数对粗糙度不敏感的特点。翼型的升力系数接近或达到最大时，从层流到湍流的转捩点的位置非常接近翼型的前缘，可以保证最大升力系数对粗糙度的不敏感性。表面清洁时，该系列翼型有较小的表面摩擦力。在翼型设计时，延长层流段的长度，缩短湍流段的长度，可以有效地减少翼型表面的摩擦阻力。NREL系列翼型的另一个优点是失速特性良好。随着后缘分离的逐渐加剧，翼型失速平缓，升力系数不会出现较大的波动性。当来流波动较大，风力机的功率接近峰值时，这一特点可以减小由叶片间歇性的失速诱发的风力机功率和载荷的波动。

2.DU翼型族

20世纪90年代初，Delft大学先后发展了相对厚度15%～40%的DU系列翼型。该系列包括15种翼型，其中有5个在Delft大学的LST风洞中完成了气动试验；有4个翼型在Stuttgart的IAG低速风洞中完成了气动试验。其中，有两个翼型在两个风洞中都进行了实验以验证设计性能。DU翼型族使用范围广泛，风轮直径从29m到100m以上、在功率从350kW～3.5MW的风力机上均有使用。部分DU翼型的型线如图2-20所示。

3.RisØ翼型族

从20世纪90年代后期开始，丹麦RisØ国家实验室陆续设计了RisØ-A1、RisØ-P和RisØ-B1三个风力机专用翼型族。RisØ-A1翼型族定型于1998年，整个翼型族包括6个翼型，相对厚度范围在15%～33%，适用于定转速、失速或变桨控制、功率在600kW以上的风力机，该翼型族的型线如图2-21（a）所示。

RisØ-P翼型族定型于2001年，共有4个翼型，厚度分别为15%、18%_、21%和24%。该系列翼型被用于取代对应厚度的RisØ-A1翼型，有效地克服了RisØA1翼型族最大升力系数对前缘粗糙度较敏感的缺点，适用于定速或变速的桨距控制的兆瓦级风力机，该系列翼型族的型线如图2-21（b）所示。

RisØ-B1翼型族是在2001年完成设计的，该翼型族包括6个翼型，相对厚度范围为15%～36%，适用于变速和桨距控制的兆瓦级风力机。该系列翼型族的特点是最大升力系数高，气动性能对前缘粗糙度不敏感，可使细长的叶片能够保持高的气动效率。该系列翼型族的型线_如图2-21（c）所示。

4.FFA W翼型族

瑞典航空研究院从20世纪90年代开始陆续设计了FFA-W1、FFA-W2、FFA-W3等三个翼型族。FFA-W1翼型族包括6种翼型，厚度范围为12.8%～27.1%。该翼型族的特点是设计升力系数高，可以满足低叶尖速比风力机的要求；最大升力系数对前缘粗糙度不敏感。FFA-W2翼型族包括两种翼型，厚度分别为15.2%和21.1%。FFA-W2翼型族和FFA-W1翼型族的设计目标相同，只是降低了设计升力系数，这是为了像NACA6系列层流翼型族一样具有多种设计升力系数的翼型，可以满足不同的要求。FFA-W3翼型族包括7种翼型，厚度范围为19.5%～36%，适用于定桨距失速型风力机，该系列翼型的型线如图2-22所示。FFA-W3翼型族有良好的气动性能，有效克服了NACA6翼型族随着厚度增加，最大升力系数对前缘粗糙度较敏感的缺点。总之，FFAW翼型族是非常有代表性的风力机专用翼型，气动特性良好，有着较高的最大升力系数和升阻比，良好的粗糙度不敏感性及平缓的失速特性，目前被广泛应用于各类风力机上。

2.5.2　风力机专用翼型设计要求

风力机体型设计不仅要在设计点上发挥最大性能，并且要在非设计点上具有良好性能，同时体型的设计需满足结构设计要求。

目前，大多数风力机翼型设计都是为达到叶片外沿处保持高的气动转矩输出，而在叶片靠近根部处截面承载较大的弯矩，这需设置较大的刚度和强度。同时翼型的设计也需满足较大的弯矩承载能力，往往该处翼型具有大的相对厚度，并且采用平脊后缘。

叶片根部翼型不仅要有较高的升力系数，同时需满足良好的失速特性。因为在正常工作状态下，叶根部翼型运行在大攻角下。高升力系数和良好的失速特性不仅有助于维系整根叶片良好的功率输出，且对于结构失效问题的发生有抑制作用，风力机叶片各个截面翼型布置要求如图2-23所示，某商业化3 MW-48m风力机叶片翼型布置见表2-3。

叶片翼型选择的另一考虑因素即处理“阵风”的能力。由于在阵风作用下，翼型攻角快速变化，因此必须设计出一个介于正常运转攻角和失速攻角间的安全运转攻角，以避免叶片由于失速而产生疲劳破坏等问题。

对叶根处翼型的设计需在满足良好气动力输出的前提下，保证足够的结构抗弯矩性能，然而两者往往不能兼得。事实上，优良的气动性能需要足够薄的翼型，而良好的抗弯矩能力由较大的相对厚度完成；较高的最大升力与前缘粗糙程度不敏感相矛盾，所以设计过程就是在这些矛盾的要求之间找到一种最佳的折中。目前，叶根处翼型设计由两者线性权重分配公式控制，即

式中　k——权重系数，取值在0～1之间。