工程熱物理所水平軸風力機厚翼型設計取得進展

　　風能是最具發展前景的可再生能源，風力發電是風能利用的主要形式。海上和低風速區域風電場的開發，使多兆瓦級水平軸風力機的應用成為主流。而研發出性能優異的專用翼型族是提高水平軸風力機葉片能量捕獲率的關鍵。基于風力機葉片的內在需求，自二十世紀八十年代以來，科研人員研發出一系列專用翼型族取代航空翼型在水平軸風力機上的應用。上述翼型相對厚度較小，對于適合于葉片根部區域的翼型設計是有限的。隨著新裝風力機葉片尺寸的顯著增加以及運行環境愈加復雜惡劣，高性能大厚度翼型的研發成為必需。

　　厚翼型采取鈍尾緣設計可以有效改進其氣動性能和結構強度，Timmer, Hoerner, van Dam等人對此做了大量的研究，包括厚尾緣的造型方法以及尾緣鈍化后的效果。但目前厚翼型的設計準則不能貼近多兆瓦級風力機的運行需求，也缺乏可用的大厚度鈍尾緣翼型族。

　　中科院工程熱物理研究所自2007年開始研發適合中國風資源分布特征的風力機專用翼型族。其中包含四種相對厚度為45%到60%的大厚度翼型。但這些早期的大厚度翼型尾緣厚度較小，且采用XFOIL設計，無法準確地預測出大攻角下的性能。近期，研究人員結合一個5兆瓦級風力機的運行特征系統研究了大厚度鈍尾緣翼型的設計準則、設計方法并成功開發出四種新的大厚度鈍尾緣翼型。

　　研究表明，45%-60%相對厚度的翼型主要適用于葉片內側10%-20%處。由于葉跟扭角的限制，該部分攻角偏大，流動多為湍流邊界層狀態，顯著區別于葉片中部和外側的翼型流動，須重新確定設計攻角域和設計雷諾數。基于參考的5MW風力機的計算結果，該部分翼型的實際運行攻角范圍在15°-25°，遠高于其失速攻角;運行雷諾數隨著相對厚度不同有所差異，據此確定了符合MW級風力機運行特征的設計攻角域和設計雷諾數，如表1所示。

　　在氣動性能方面，創新地提出以運行攻角范圍內的升力系數水平為大厚度翼型的設計指標，以該攻角內升力系數的平緩特征和升力曲線的變工況穩定性為主要約束。這是由于多兆瓦級葉跟翼型相對厚度通常大于45%，導致其失速攻角遠較薄翼型提前，與實際的運行攻角范圍有很大的距離。此時最大升力系數顯然不能再有效表征對大厚度翼型的性能需求。而升力系數隨攻角變化平緩，隨Re變化穩定可以有效地保證風力機的輸出穩定。

　　由于厚翼型的流動攻角較大，流動多處于湍流邊界層甚至分離流條件下，對于厚翼型流動的預測，尤其是關于流動轉捩和分離點的預測始終是制約大厚度翼型氣動設計的關鍵問題。因此在設計之前，通過在北京航空航天大學D-4風洞的測量驗證了(相對于一般CFD方法)對于45%厚度的翼型RFOIL可以較準確地給出直到25°攻角范圍的升力特征。故以RFOIL采用混合設計方法進行設計。在設計過程中通過保證翼型的基本幾何特征(前緣半徑，相對彎度，最大相對厚度位置)相近來保證翼型族的幾何兼容性;通過延遲湍流邊界層的分離或者延緩分離點從尾緣向前緣移動的速度來實現高且平緩的升力特征。設計結果如下圖1所示。

　　基于RFOIL氣動分析表明，這族大厚度鈍尾緣翼型在大攻角范圍內，升力系數持續穩定上升并處于較高水平：在15°到30°攻角之間，該翼型族的升力系數大致在1.0到1.7之間近似線性變化，同時在該攻角范圍內具有優異的雷諾數穩定性，有利于風力發電機獲得更高效和穩定的輸出，實現了設計目標。采用風電葉片研發中心提出的翼型綜合評估方法表明，對于MW級風力機葉片內側需求而言，新的45%相對厚度翼型的綜合性能優于廣泛使用的荷蘭代爾夫特大學開發的DU00-W2-401翼型。因此，研究人員已經使用該翼型在多兆瓦級風力機葉片研發時進行了替代設計，目前正在進行關于該翼型族的風洞測量實驗。

　　以上研究工作得到了國家“863”計劃項目“大厚度、鈍尾緣、低噪聲翼型設計應用技術”(No.2012AA051303)的支持，相關研究成果已在中國工程熱物理學會2013年學術會議(呼和浩特)上展示，并將發表在《工程熱物理學報》上。