风力发电机叶片翼型设计

高转速风轮的效率和控制特征很大程度上由叶片翼型的空气动力学特性来决定。反应翼型特征最重要的参数升阻比（L／D）为

升阻比对风轮风能利用系数的影响规律如图6-23所示。

从图6-23可以看出，当升阻比减少时，风能利用系数也在减少，最佳风能利用系数点向低叶尖速比转移。当升阻比和叶尖速比较高，L／D=100时，叶片数对风能利用系数有轻微影响；但是，当升阻比和叶尖速比比较低，L／D=10时，叶片数对风能利用系数影响力较大。即低速风轮叶片较多，其翼型特征对风能利用系数影响较小；高速风轮叶片较少，则其翼型特性对风轮风能利用系数有决定性作用。

图6-23　叶片升阻比对风轮性能的影响

图6-24　风轮升力和阻力系数特性曲线

图6-25　叶片的特性极曲线

机翼的空气动力学特性可通过风洞模型试验来进行测试和验证。升力系数和阻力系数作为攻角的函数进行测量，以最大升力系数为限制条件，攻角的上限为在翼型上表面发生气流分离时对应的临界攻角。这里有两种绘图形式。第一种显示了与攻角对应CL、CD和CM的变化规律，另一种为处理后的极曲线。第一种有时也被称为Lilienthal坐标图，如图6-24所示。第二种图显示了升阻比与空气动力学系数之间的直接联系，如图6-25所示，攻角为极曲线的一个参数。极曲线的优点由最佳升阻比可以直接观察得出，其值为矢量径与曲线相切的夹角。

图6-26　NACA 4415翼型的形状和特性曲线

除了几何现状外，流动参数也影响着机翼的性能，其中最重要的参数之一为雷诺数。雷诺数通常作为从风洞测量模型到实物流动特征过渡的相似性参数。雷诺数定义为

式中 v——当地叶素相对速度，m／s；(www.xing528.com)

t——当地叶素弦长，m；

ν——空气运动黏度，m2／s，ν=1.5×10-5 m2／s。

在叶尖，风轮叶片雷诺数范围1×106～10×106，这取决于风力机的尺寸。风轮极坐标图6-26和图6-27所示为不同雷诺数的翼型特性曲线。

图6-27　LS-1翼型的形状和特性曲线

图6-26和图6-27显示现代风力机常用的两种典型翼型的特性曲线，NACA44系列和LS-1系列为层流翼型。层流翼型在沿弦长方向，流动边界层可以保留更长的时间。这些翼型在一定的攻角范围内阻力非常小，故层流翼型现在使用的很多。

风轮叶片外端采用的NACA44和LS-1系列翼型，其厚度与弦长比例接近15%～16%。它们在性能上稍有不同。NACA44系列翼型具有相对低的升阻比，但对表面粗糙度不敏感；LS-1系列翼型是一个最近发明的翼型家族，升阻比较高，同时对表面粗糙度比较敏感。

图6-28所示为几种不同翼型对风轮风能利用系数的影响。从图6-28可知，只要翼型的空气动力学特性较高，且表面光滑，那么翼型的种类对风轮风能利用系数影响就较小。尽管如此，这些差别也不能被忽视。选择一个高性能的翼型不会增加成本，但会直接增加能量出力，最终会增加风力机的经济效益。

图6-28　不同类型翼型对风轮风能利用系数的影响

由于技术与成本原因，叶片不可能绝对光滑。此外，在运行过程中环境对表面粗糙度也会产生影响，如图6-29所示。因此，要选择合适粗糙度的叶片，高性能层流翼型对此非常敏感。当叶片表面光滑时，性能较高；相反，当表面变粗糙后，性能开始下降。对于风轮而言，运行过程中形成的表面污染物，如昆虫尸体和灰尘等，均会增加叶片表面的粗糙度，叶片长度超过30～40m的大型风轮，其污染程度占的比例很小，但其影响远远超过小型风力机。

图6-29　叶片污染后的照片

图6-30　不同叶片光滑和受污染对性能曲线的影响

失速控制风力机对表面粗糙度特别敏感。如图6-30所示，当粗糙度增加后，翼型的最大升阻比系数发生改变，气流分离点向更小的攻角移动，以至于气动失速现象在低速时提前产生，从而风轮性能下降。除此之外，图6-30还表明光滑叶片的性能明显高于受污染叶片的性能。