一种水平轴风力机专用翼型性能评估方法技术

本发明专利技术公开了一种水平轴风力机专用翼型性能评估方法，首先获取翼型及其气动数据；分析翼型的几何结构参数，根据相对厚度的不同划分翼型类型为薄翼型和厚翼型系列；然后获得翼型的设计点性能参数项、非设计点性能参数项、失速特性参数项和稳定性参数项；继而与翼型性能的参考指标相比较，得出相对值，判断翼型各项特性的优良；最后根据翼型类型不同赋予翼型不同的权重系数，结合相对值大小，计算出翼型的综合性能评估值，判断风力机翼型的性能优良水平。本发明专利技术可以为风力叶片设计时不同部位选择不同翼型时提供判断的依据和方法，也可用于在新翼型的设计和优化中评估中间翼型的性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水平轴风力机翼型性能评估领域，具体涉及一种水平轴风力机叶片不同部位的翼型的性能评估方法。
技术介绍
在全球性的能源危机和环境恶化这一背景下，风电产业迅猛发展。风力发电机本身也朝着运行环境多样化、单机容量变大的方向发展。从近海到沙漠，从平原到丘陵都有已经建成运行的风电场，新建成的风电场中风力机的叶片日趋大型化。这些趋势对风力机捕获风能的能力提出了更高要求。风力机获取风能的核心部件是叶片，叶片性能的优劣直接影响风力机风能转换的效率高低。从而叶片设计技术是风力机发电系统设计的核心技术之一。叶片可以视为一系列翼型沿着叶片展向叠加而成，叶片的性能由构成其气动外形的翼 型的气动性能决定。叶片设计时，其不同部位由于结构需求和气动性能需求的差异，需要选择不同类型、不同性能的翼型。准确、完整地评估待选翼型的各项性能的优劣和综合性能的差异可以使得叶片设计时翼型选择的更加准确、合理。另一方面，设计出适合应用于在不同环境下保持高的风能转换率、低气动载荷、宽广的高性能工作范围且性能稳定的长叶片的新一代翼型系列对提高叶片性能具有基础性的作用。而在翼型的优化和设计中，准确、完整地评估中间翼型的气动性能，判断其是否达到设计目标是不可缺少的重要环节。可知，无论是进行叶片设计翼型的选择还是在翼型优化再设计时中间翼型的取舍，对翼型的性能进行完整、准确的评估都具有重要的意义。目前，国内外风电行业上尚没有对风力机专用翼型性能的评估形成统一标准和完整的参数体系。现有的评估方法一般只能对翼型一部分气动参数进行定量比较最大升阻t匕、最大升力系数、设计升力系数、阻力系数和力矩系数等；而对翼型的非设计点性能、失速特性以及在表面粗糙情况变化和流动雷诺数变化条件下性能的稳定性通常只根据翼型基本气动参数的曲线进行简单定性的比较分析，没有给出能够直观表征这些翼型性能的参数，以进行定量的比较分析。也就说，目前的风力机翼型性能评估体系中既没有完整的表征翼型各方面性能特征的参数体系，也没有合理且完整地评估翼型性能的方法；而这些恰是准确而完整地评估翼型性能的关键。
技术实现思路
鉴于以上现有技术的缺点和不足，本专利技术提出了，可以对风力机专用翼型的气动性能进行有效、合理且完整的评估。本专利技术为实现上述技术目的所采取的技术方案为，其特征在于，包括以下步骤(I)获取翼型的几何坐标数据及其基本气动数据；(2)利用翼型的几何坐标数分析得到翼型的几何参数项，根据所述几何参数项中的最大相对厚度判断翼型类型，即判断其属于薄翼型还是厚翼型；优选地，所述几何参数项包括最大相对厚度、最大相对厚度的弦向位置、最大相对弯度、最大相对弯度的弦向位置、前缘半径、尾缘厚度、尾缘角、上表面最大厚度值以及其弦向位置和下表面最大厚度值以及其弦向位置。(3)分析翼型的基本气动数据，得到翼型的各气动性能参数项；(4)根据翼型类型选择所述各气动性能参数项的相应参考值，并计算得出所述各气动性能参数项相对于其参考值的相对值，据此判断翼型各项气动特性的优劣；(5)根据叶片不同部位对翼型性能要求的不同赋予翼型各气动性能参数项以相应的权重系数，结合步骤(4)中得到的翼型各气动性能参数项的相对值，计算出翼型的综合性能评估值，据此判断翼型的性能优良水平。优选地，所述的步骤(I)中翼型的基本气动数据是风洞试验结果或者数值模拟计算结果，包括自然转捩和固定转捩两种情况下(研究翼型性能受表面粗糙状况不同的影响)不同流动雷诺数时的各项气动数据，所述各项气动数据主要包括不同流动攻角下的翼型的升力系数、阻力系数、力矩系数、上表面分离点位置、下表面分离点位置等数据。风洞试验中，自然转捩对应试验段叶片表面光滑无污染的情况，固定转捩对应试验段叶片靠近前缘某一处加粗糙带的情况(如在上表面5%弦长处贴zz型粗糙带,粗糙带的具体尺寸取决于叶片试验段的尺寸)；数值模拟计算时，自然转捩意味着不限制流动转捩和分离点位置，让其随着流动规律自然发生；固定转捩是通过限制翼型上下表面转捩点的位置(如通常设置翼型固定转捩的位置为上表面1%弦长处，下表面10%弦长处)来达到实现的，以模拟表面粗糙程度不同所造成影响。优选地，所述的步骤(2)中，利用翼型的几何坐标数据可以通过多种翼型分析软件得到翼型的几何参数项；根据翼型的最大相对厚度可以确定翼型的类型和可适用于叶片上的位置。所述薄翼型是指最大相对厚度小于25%的翼型，所述厚翼型是指相对厚度大于或等于25%的翼型。进一步地，所述步骤(3)中，所述翼型的各气动性能参数项包括翼型的设计点性能参数项、非设计点性能参数项、失速特性参数项和稳定性参数项。所述翼型的设计点性能参数项，其所包括的各参数来自于风洞试验结果或者数值计算结果，可以给出翼型在流动中获得的升力、阻力以及气动效率；翼型的非设计点性能参数项，将翼型最大升阻比所对应攻角和最大升力系数攻角之间翼型的气动性能参数化，来表征翼型从设计点到失速点间的性能特征；翼型的失速特性参数项，根据翼型的升力特性曲线，以最大升力系数为基础，用失速后某一攻角处的升力系数平均变化率和升力系数变化量的乘积来表征翼型的失速后升力曲线的平缓特性；翼型的气动性能稳定性参数项包括翼型的气动性能随转捩方式不同的稳定性(此为表征翼型的表面粗糙敏感性)和随流动雷诺数Re的不同的稳定性。进一步地，所述设计点性能参数项包括最大升阻比、设计攻角、设计升力系数、设计阻力系数、设计力矩系数；所述非设计点性能参数项包括最大升力系数和最大升力系数攻角、设计攻角到失速攻角的间隔△ a、设计攻角到失速攻角间升力系数的变化率和升阻比的变化率；所述失速特性参数项包括翼型失速特性参数Mstall ;所述稳定性参数项包括翼型性能对表面粗糙影响的稳定性参数Psf，对流动雷诺数变化影响的稳定性参数P.。进一步地，设计攻角到失速攻角的间隔A a、设计攻角到失速攻角间升力系数的变化率CRcl和升阻比的变化率CRld可分别表示为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水平轴风力机专用翼型性能评估方法，其特征在于，所述评估方法包括以下步骤 (1)获取翼型的几何坐标数据及其基本气动数据； (2)利用翼型的几何坐标数分析得到翼型的几何参数项，根据所述几何参数项中的最大相对厚度判断翼型类型，即判断其属于薄翼型还是厚翼型； (3)分析翼型的基本气动数据，得到翼型的各气动性能参数项，包括翼型设计点性能参数项、非设计点性能参数项、失速特性参数项和稳定性参数项； (4)根据翼型类型选择所述各气动性能参数项的相应参考值，并计算得出所述各气动性能参数项相对于其参考值的相对值，据此判断翼型各项气动特性的优劣； (5)根据叶片不同部位对翼型性能要求的不同赋予翼型各气动性能参数项以相应的权重系数，结合步骤(4)中得到的翼型各气动性能参数项的相对值，计算出翼型的综合性能评估值，据此判断翼型的性能优良水平。2.根据权利要求I所述的评估方法，其特征在于上述步骤(I)中，翼型的基本气动数据是风洞试验结果或者数值模拟计算结果，包括自然转捩和固定转捩两种情况下不同流动雷诺数时的各项气动数据，所述各项气动数据包括不同流动攻角下的翼型的升力系数、阻力系数、力矩系数、上表面分离点位置和下表面分离点位置。3.根据权利要求I所述的评估方法，其特征在于所述的步骤(2)中，所述薄翼型为最大相对厚度小于25%的翼型，所述厚翼型为最大相对厚度大于或等于25%的翼型。4.根据权利要求I所述的评估方法，其特征在于所述的步骤(4)中，评估翼型所需的所述各气动性能参数项的相应参考值来自如果对翼型的性能评估适用于叶片设计选择翼型的过程中，则从已有的风力机专用翼型数据库中，选择相同相对厚度或者相同翼型类型的典型翼型的气动性能参数作为参考值；或，如果对翼型的性能评估适用于翼型的优化和设计过程中，则以给定的目标翼型的气动性能参数作为参考值，该目标翼型的气动性能参数的给定取决于待优化设计翼型的气动性能和拟设计的方向。5.根据权利要求4所述的评估方法，其特征在于所述步骤(4)中，得到翼型的所述各气动性能参数项的相应参考值后，将待评估翼型的各气动性能参数项与相应参考值比较得到各气动性能参数项的相对值Ptl，形式如下:Po =Z~，其中，P为翼型的某一气动性能参数 Fr项，Pr为相应的参考值。6.根据权利要求5所述的评估方法，其特征在于所述的步骤(5)中，不同类型的翼型所匹配的权重系数是依据叶片不同部位对翼型气动性能要求的差异来决定的，叶尖、叶中和叶根处的翼型有不同的权重系数；将翼型的各气动性能参数项的权重系数Ai设定为第一级权重系数，满足;4 =1;将各气动性能参数项中所包括的各参数的权重系数Au设定为第二级权重系数，满足Σ& =i ;结合已经得到的待评估翼型的各气动性能参数项的相对 J值，可以计算翼型的综合性能评估参数=，其中PtlijS各参数项中某 ^ V JJ一性能参数的相对值，与权重系数相对应；qu与该某一性能参数的期望方向有关，如果...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨科，李星星，白井艳，徐建中，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：