专利名称：基于翼型集成和混合尾缘改型的风力机叶尖翼型设计方法
技术领域：
本发明涉及一种基于翼型集成和混合尾缘改型的风力机叶尖翼型设计方法。
背景技术：
风能作为一种可再生的清洁能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴含量巨大，全球的风能约为2. 74X 109MW，其中可利用的风能为2X107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。据预测，到2020年底，风电在全球的装机容量几乎可以达到12亿kW(120 万MW)。这代表年发电量共有3万亿kW · h(3000Tff · h)，相当于世界电力需求的12%。风力机依靠风轮叶片捕捉风能，叶片翼型设计理论是决定风力机功率特性和载荷特性的根本因素，一直是各国学者研究的热点所在。风力机依靠风轮叶轮汲取风能，叶轮的叶片翼型的气动性能直接影响着风力机风能利用的效率。由于三维效应的影响，风力机叶片的叶尖区域往往产生复杂的流动现象，特别是叶尖涡的产生会使速度亏损值增加，风轮功率下降。在不增大风力机叶轮直径的情况下，对于风力机叶尖翼型性能的研究对提高风力机的发电功率有着非常重要的影响。美国国家可再生能源实验室(NationalRenewable Energy Laboratory，NREL)的研究表明风力机的叶尖应当使用具有较大的最大升力系数，较大的最大升阻比，失速性能平稳，而且前缘部分粗糙度增加后依然能够保持良好气动性能的翼型。然而，对于大型风力机叶尖翼型来说，其厚度为整个风力机叶片中最薄的，约为15%弦长。如此厚度的翼型往往难以达到较高的升力系数，而且其失速性能也较差，而即使失速性能平缓，翼型的最大升力系数也会相应变小。而即使两者都能够达到设计要求，翼型的气动性能仍有可能受到较大阻力系数或前缘粗糙度的影响。所以，这样的综合气动性能要求在叶尖翼型上往往是难以达到的。要克服设计叶尖翼型时所存在的特有的困难，需要采用比设计普通翼型更为先进的设计方法。而表征翼型型线本质特征的根本因素——翼型的参数化表达方法又是叶片翼型优化设计理论中最基础的部分，对设计过程将产生深远的影响。重庆大学陈进等提出的一种基于广义泛函和儒科夫斯基保角变换的翼型参数化表达方法(以下简称为泛函变换方法)，突破了原有翼型其数学模型固有特性的限制，可表征翼型型线本质特征的根本因素，具有良好的集成性与通用性。然而泛函变换方法也存在无法有力的对翼型的尾缘形状进行控制的缺点，而翼型的尾缘部分往往存在复杂的流动现象，其形状对翼型的气动性能有着不可忽略的影响。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种风力机叶尖上翼面平滑改型方法；目的之二是提出一种风力机叶尖尾缘翼面混合式改型方法；目的之三是提出了一种基于翼型集成和混合尾缘改型的风力机叶尖翼型设计方法，能够全面有效的控制翼型形状，扩大了现有方法的解空间，设计出的翼型具有更好的低翼型表面粗糙度敏感性、升力系数和最大升阻比、在较大攻角范围内具有高升阻比以及良好的结构特性，与其他风力机翼型相比，其相容性和声学性能得到显著改善；本发明的目的之四是提出了一种风力机专用翼型。
权利要求
1.风力机叶尖上翼面平滑改型方法，其特征在于包括以下步骤1)通过以下公式建立改型模型A^2 ^,[sin 1^f2X-K\-κ式中，Ay2为尾缘处翼面y坐标的减小量，ξ 2为翼面χ方向的坐标变量；μ 2表示改型的幅度；λ为控制形状的参数；κ为改型的起始点，方向的坐标变量；X通过以下公式计算得到，义= ^lV(1U4)(U) 2)根据步骤1)所述的改型模型，根据ξ2的取值，选取合适的μ2、λ和Κ，得到一系列的Ay2值，根据Ay2的取值，得到上翼面一系列的弦向X，y坐标值，将各坐标点依次连接并表示在二维直角坐标系上，即可得到风力机叶尖上翼面翼型二维形状。
2.风力机叶尖尾缘翼面混合式改型方法，其特征在于包括如权利要求1所述的上翼面平滑改型方法，还包括下翼面弯度改型方法，所述下翼面弯度改型方法采用Sobieczky 方法，包括以下步骤1)通过以下公式建立改型模型Ay1 = Z'tan(Aa) [1 - A《-(I-A《)M ]μνη式中，Ay1为尾缘处翼面y坐标的减小量，Δ α为控制尾缘处弯度的变量；L表示翼面从尾缘点算起经修改的长度；ξ ！为翼面X方向的坐标变量；μ工和η都是控制翼面形状的参数，1. 1 彡 U1^ 1.8,1 ^n ^ 10；2)根据步骤1)所述的改型模型，根据ξ！的取值，选取合适的Δ α、μ ρ η和L，得到一系列的Ay1值，根据Ay1的取值，得到下翼面一系列的弦向X，y坐标值，将各坐标点依次连接并表示在二维直角坐标系上，即可得到风力机叶尖下翼面翼型二维形状。
3.基于翼型集成和混合尾缘改型的风力机叶尖翼型设计方法，其特征在于包括以下步骤1)对复平面上的一偏心圆4进行儒可夫斯基保角变换，得到保角变换函数如下 = Jr(^c) = Zja21 Zc . 其中a为几何尺度因子，为1/4翼型弦长；2)将&设计为拟圆，对&进行拟圆表达，得到拟圆表达函数如下zc = aX P ( θ ) Xexp(i θ )；其中θ为复角，P ( θ )为θ的可变函数，exp(i θ )为复平面的指数表示；将拟圆表达函数代入步骤1)中的保角变换函数，可得如下方程
4.如权利要求3所述的基于翼型集成和混合尾缘改型的风力机叶尖翼型设计方法，其特征在于所述步骤5)中的优化设计还包括基于风力机专用翼型设计工况条件，即设计攻角Qd和相应翼型所处叶片展向位置实际运行条件下的雷诺数Re与马赫数Ma，翼型攻角处于0彡α彡20范围内，产生失速时的升力系数Clf、Clt，最大升阻比Cl/Cdf、Cl/Cdt为目标函数，翼型的失速特性通过失速点附近的升力系数与失速点升力系数的平方均差Δ来表示
5.根据权利要求3所述的基于翼型集成和混合尾缘改型的风力机叶尖翼型设计方法，其特征在于所述步骤幻中的优化设计还包括采用改进的非支配排序多目标遗传算法-NSGAII对风力机专用翼型型线进行形状优化。
6.根据权利要求5所述的基于翼型集成和混合尾缘改型的风力机叶尖翼型设计方法， 其特征在于NSGA II算法的参数设定为初始种群数目P = 50，最大进化代数Gmax = 60，遗传操作中使用多点交叉，交叉概率P。 =90%，变异概率Pm = 1%，这样的设定将产生与父代较为不同的子代个体，以期保证种群的多样性。
7.根据权利要求5所述的基于翼型集成和混合尾缘改型的风力机叶尖翼型设计方法 所述步骤5)中的优化设计中，对设计变量X的取值范围进行约束X .彡X彡X ·八mm \八\八max，Xfflin> Xfflax分别表示设计变量的上限和下限值，取值为 "-1,-1,-1,-0.1-0.01-0.001" _+1,+1,+1,+0.1,+0.01,+0.00lj;其最大相对厚度应控制为 t/c = 0. 15t为翼型的实际厚度，C为翼型的实际弦长。
8.风力机专用翼型，其特征在于所述风力机专用翼型是选取翼型厚度为15%的厚度约束，通过采用权利要求3至6任一所述的风力机专用翼型设计方法进行优化设计得到， 翼型最大厚度位置在弦向χ/c = 0. 17处，最大弯度为cam/c = 0. 0356，所处位置为x/c = 0. 66。^minγ max
全文摘要
本发明公开了一种基于翼型集成和混合式尾缘改型的风力机叶尖翼型设计方法，用于对通过泛函变换方法所生成的风力机专用翼型进行尾缘改型，从而全面有效的控制翼型形状，在此基础上，建立了基于改进的NSGAII遗传算法，面向大型风力机叶尖翼型各项性能指标的多目标设计模型，设计出了相对厚度为15％的CQUTIP-0015大型风力机叶尖专用翼型，该翼型的形状符合混合式尾缘改型方法的特点，并具有较大的最大升力系数，最大升阻比，失速性能平稳，粗糙度敏感性低等特点，综合气动性能出色，完全符合叶尖翼型的要求，通过与NACA-0015和NACA-63-215两种翼型的气动性能比较，很好的验证了该优化结果的优越性和该设计方法的可行性。
文档编号F03D11/00GK102235325SQ201110184258
公开日2011年11月9日 申请日期2011年7月1日 优先权日2011年7月1日
发明者庞晓平, 汪泉, 陆群峰, 陈进 申请人:重庆大学