技术领域本发明属于叶片翼型设计技术领域，具体涉及一种具有低粗糙度敏感性和高升阻特性的风力机翼型。
背景技术：
风力机叶片设计是风力发电机组设计的一项核心技术，构成叶片的翼型是叶片设计的基础，该项技术的研究和应用可为设计出具有更大风能捕获能力和低系统载荷的高性能叶片奠定基础。翼型表面粗糙度敏感性和翼型的升阻特性是影响翼型气动特性的主要因素，是风力机翼型设计的重要设计指标。具体的，由于风力发电机组的工作环境较为恶劣，叶片表面特别容易受到粉尘和昆虫的污染，甚至是风沙侵蚀的破坏，所以叶片表面会由光洁变得粗糙；另外，叶片制造误差也会造成翼型轮廓发生变化，增加翼型表面粗糙度；当翼型表面粗糙度增加时，会导致其空气动力学外形发生改变，进而影响翼型的失速特性和气动性能。相关研究表明，随着翼型前缘粗糙度的增加，风力机气动性能下降高达30％以上，大大降低了风力机的风能利用效率。因此，在设计时要求风力机翼型对粗糙度具有较低的敏感性，可以保证风力机叶片在前缘受到外界污染或存在一定制造误差的条件下，仍具有较高的捕风能力和发电效率。另外，为了保证风力机叶片具有优良的气动特性，也要求风力机翼型具有高的升阻比。低粗糙度敏感性和高升阻比是一对彼此矛盾的设计指标。现有技术通过限制上表面厚度来改进风力机翼型的粗糙度敏感性，但这导致风力机翼型在设计状态下的升阻比较低，且设计升力系数较小。截至目前，国内外尚未见到针对低粗糙度敏感性和高升阻比翼型的有关报道。专利[CN201110023215.1]“一族用于兆瓦级风力机叶片的翼型”公开了一族用于兆瓦级风力机叶片的翼型，7个翼型的相对厚度分别为15％、18％、21％、25％、30％、35％和40％，该发明相比传统翼型有更高的最大升力系数，以及具有较高的设计升力系数、更大的升阻比和更好的高雷诺数特性，其主翼型和外侧翼型的设计雷诺数为6.0×106；专利[CN201410534926.9]“风力机翼型正设计方法及风力机翼型族”公开了一种风力机翼型正设计方法和一种风力机翼型，设计的翼型族包含相对厚度为15％、18％和21％的3种小厚度风力机外侧翼型，并对低雷诺数下的翼型气动特性进行研究；专利[CN201510183743.1]“一种利用贝塞尔函数曲线的风力机翼型设计方法”公开了一种利用贝塞尔函数曲线的风力机翼型设计方法，并对通过该方法设计出的风力机翼型进行了中低雷诺数条件下升阻比特性的研究；专利[CN201410850976.8]“一种风力机翼型的多学科优化设计方法”公开了一种风力机翼型的多学科优化设计方法，该方法同时对翼型的气动性能、结构属性及声学特性进行优化；专利[CN201510047830.4]“一种垂直轴风力机翼型的气动优化设计方法”涉及一种垂直轴风力机翼型的气动优化设计方法；专利[CN201310234549.2]“一族大厚度钝尾缘风力机翼型及其设计方法”公开了一族大厚度钝尾缘风力机翼型及其设计方法，具体包括四种相对厚度分别为45％、50％、55％和60％的风力机翼型，且均具有一定的后缘厚度，四种翼型的设计雷诺数为中低雷诺数，依次为4.0×106、3.5×106、3.0×106和2.5×106，设计目标主要针对叶片根部区域大攻角范围内的升力系数变化特征；专利[CN201020677153.7]“一种风力机叶片翼型族”公开了一种涉及风力机叶片的钝尾缘厚翼型族，将厚翼型用于叶片根部以取代传统的圆柱型结构，从而提高叶片性能。但是，以上各个发明专利所公开的各种风力机翼型，或者具有低粗糙度敏感性，但其升阻比较低；或者具有较高的升阻比，但不具有低的粗糙度敏感性。也就是说，现有技术公开的各类风力机翼型，由于没有同时兼顾升阻比和粗糙度敏感性，所设计得到的风力机的性能有限。
技术实现要素：
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种具有低粗糙度敏感性和高升阻特性的风力机翼型，可有效解决上述问题。本发明采用的技术方案如下：本发明提供一种具有低粗糙度敏感性和高升阻特性的风力机翼型，该风力机翼型在设计状态和临界失速状态下具有以下的压力分布形态：在弦向范围为0.2％C～4％C的翼型前缘位置出现第1个负压峰，压力系数CP的峰值范围为-1.5～-4.5，用于降低翼型的粗糙度敏感性；在弦向范围为18％C～28％C的位置出现第2个负压峰，压力系数CP的峰值范围为-1.5～-3.5，用于提高升阻比；其中，C为翼型弦长。优选的，设计状态下，在第1个负压峰的峰尾到第2个负压峰的峰首之间的区域为顺压区，顺压区是指按从第1个负压峰的峰尾到第2个负压峰的峰首的方向，压力系数CP的值逐步减小的区域，用于保证翼型上翼面具有较大的层流范围。优选的，所述设计状态指小迎角设计状态，在小迎角设计状态下，第1个负压峰的峰值高于第2个负压峰的峰值；大迎角临界失速状态下，第1个负压峰的峰值低于第2个负压峰的峰值。优选的，在小迎角设计状态下，在弦向范围为28％C～38％C的位置出现翼型上表面转捩点；在弦向范围为43％C～53％C的位置出现翼型下表面转捩点；在大迎角临界失速状态下，在弦向范围为1％C～10％C的位置出现翼型上表面转捩点；在弦向范围为45％C～55％C的位置出现翼型下表面转捩点。本发明提供的具有低粗糙度敏感性和高升阻特性的风力机翼型具有以下优点：有效缓解了翼型粗糙度敏感性和升阻特性这两个性能指标之间的矛盾，具有较高升阻特性和较低粗糙度敏感性，从而提高翼型性能。附图说明图1为本发明提供的翼型在设计状态下的“双负压峰”压力分布形态示意图；图2为本发明提供的翼型在临界失速状态下“双负压峰”压力分布形态示意图；其中：1代表第1个负压峰；2代表上翼面顺压区；3代表第2个负压峰；4代表翼型上表面转捩点位置；5代表翼型下表面转捩点位置；图3为本发明NPU-MWA-250翼型与同类翼型的升阻比特性(RANS，Ma＝0.2，Re＝9×106，自由转捩)；图4为本发明NPU-MWA-250翼型与同类翼型的粗糙度敏感性随雷诺数变化(RANS)；图5为本发明NPU-MWA-250翼型与同类翼型在最大升阻比处的压力分布对比(RANS)；其中：6代表DU91-W2-250翼型的气动特性计算结果(RANS，Ma＝0.2，Re＝9×106，自由转捩)7代表NPU-WA-250翼型的气动特性计算结果(RANS，Ma＝0.2，Re＝9×106，自由转捩)8代表NPU-MWA-250翼型的气动特性计算结果(RANS，Ma＝0.2，Re＝9×106，自由转捩)。具体实施方式为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。经过大量精细研究之后，发明人提出了一种具有低粗糙度敏感性和高升阻特性的风力机翼型，可有效兼顾高升阻比和低粗糙度敏感性这两个性能指标。具体的，本发明提供的具有低粗糙度敏感性和高升阻特性的风力机翼型，如图1所示，为风力机翼型在设计状态下的压力分布形态示意图；如图2所示，为临界失速状态下的压力分布形态示意图；该风力机翼型在设计状态下具有以下的压力分布形态：在弦向范围为0.2％C～4％C的翼型前缘位置出现第1个负压峰，压力系数CP的峰值范围为-1.5～-4.5，主要作用为降低翼型的粗糙度敏感性；在弦向范围为18％C～28％C的位置出现第2个负压峰，压力系数CP的峰值范围为-1.5～-3.5，主要作用为提高翼型升力，进而提高升阻比；其中，C为翼型弦长。具有以上压力分布形态的翼型可简称为“双负压峰”翼型。另外，在第1个负压峰的峰尾到第2个负压峰的峰首之间的区域为顺压区，顺压区是指按从第1个负压峰的峰尾到第2个负压峰的峰首的方向，压力系数CP的值逐步减小的区域，用于保证翼型上翼面具有较大的层流范围。此外，在小迎角设计状态下，第1个负压峰的峰值高于第2个负压峰的峰值。在弦向范围为28％C～38％C的位置出现翼型上表面转捩点；在弦向范围为43％C～53％C的位置出现翼型下表面转捩点。大迎角临界失速状态下，第1个负压峰的峰值低于第2个负压峰的峰值，在弦向范围为1％C～10％C的位置出现翼型上表面转捩点，在弦向范围为45％C～55％C的位置出现翼型下表面转捩点。具有以上压力分布形态的翼型，有效兼顾翼型粗糙度敏感性和升阻特性的原因为：由于所设计的翼型在设计状态时，上翼面具有一定的顺压梯度和较大范围的层流区域，从而保证翼型在设计状态下具有较高的升阻比；而且随着攻角的增大，翼型上翼面的压力分布在前缘出现较尖的负压峰值，使得转捩点位置能够迅速前移，在接近或达到失速迎角时，上翼面层流到湍流的转捩在非常接近前缘点的地方发生。因此，所设计的翼型在设计状态时，上翼面具有较大的层流范围，阻力系数较小，升阻比较大；而当升力系数达到最大时，整个上翼面的前缘区域要么完全处于湍流区域要么完全处于转捩区，此时边界层的厚度比较大，粗糙度的增加对于较厚的湍流边界层影响小，从而达到兼顾高升阻特性和低粗糙度敏感性的目的。以下通过实验效果例，对本发明提供的具有特定压力分布形态的翼型的优点进行验证：翼型压力分布形态和翼型形状之间具有一一对应关系，因此，具有本发明所述“双负压峰”压力分布形态的翼型是唯一的，将本发明设计得到的翼型记为NPU-MWA-250翼型，相对厚度为25％；发明人使用翼型气动分析软件MSES对比计算了本发明NPU-MWA-250翼型与传统的同类型相同厚度的NPU-WA-250翼型和DU91-W2-250翼型的气动性能。如图3所示，为NPU-MWA-250翼型与同类翼型的升阻比特性对比；图4为NPU-MWA-250翼型与同类翼型的粗糙度敏感性随雷诺数变化对比；图5为NPU-MWA-250翼型与同类翼型在最大升阻比处的压力分布对比。从图3-5中可以看出，本发明提供的NPU-MWA-250翼型，升力系数大于1.0时，NPU-MWA-250翼型在很大的升力系数范围内升阻比都高于NPU-WA-250翼型和DU91-W2-250翼型，设计升力系数明显高于DU91-W2-250翼型，且最大升阻比也高于NPU-WA-250翼型和DU91-W2-250翼型；即本发明提供的NPU-MWA-250翼型，具有较高的设计升力系数、更大的升阻比和更好的高雷诺数气动特性。因为作用在叶片剖面上的升力等于升力系数、弦长和来流动压的乘积，因此，更高的设计升力系数可以允许缩短叶片的弦长，从而减少叶片重量，或者在相同弦长的情况下允许在更低的风速下工作；更大的升阻比可以提高风能利用系数，高雷诺数下更高的性能可以满足大型风力机叶片的设计需求。本发明提供的NPU-MWA-250翼型的粗糙度敏感性则是介于NPU-WA-250翼型和DU91-W2-250翼型之间；充分验证了“双负压峰”翼型有效缓解了高升阻比和低粗糙度敏感性这一对彼此矛盾的气动性能指标。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。