风轮叶片翼型优化系列

由于现代风力机发展的早期，尚无合适的翼型可用，故大多借用已经发展起来的航空翼型，如NACA翼型，但是这些航空翼型是为航空应用研制的，它们只是在更高雷诺数（Re），例如10⁷量级以上，才有好的性能，而大型风力机的工作雷诺数一般在10⁶量级，所以直接照搬NACA系列翼型作为风轮叶片翼型不能很好地满足使用要求，因而一些发达国家从20世纪80年代中期开始研究风力发电机组专用新翼型，并发展了一些翼型系列。其中有代表性的包括：美国的NREL翼型系列、丹麦的RISΦ翼型系列、荷兰的DU翼型系列及瑞典的FFA-W翼型系列等。

1.NREL（前身为SERI）翼型系列

NREL翼型系列是美国国家可再生能源实验室（NREL）研制，其前身为SERI，即太阳能研究院，共包括薄翼型族和厚翼型族9个翼型族，包括25个翼型，分别用于大中型叶片。图6-5所示为其中两个翼型族，左边三种为薄翼型族，右边三种为厚翼型族，从上到下分别为用于靠近叶片叶尖部分（95％半径处）、用于叶片主要外部区域（75％半径到叶尖段处）和用于靠近根部部分（40％半径处）的翼型。

图6-5 NREL翼型系列外形

图6-6所示为另一族NREL翼型外形。

NREL系列翼型的特点是具有较高的升阻比和较大的升力系数，对翼型前缘粗糙度不敏感，使得因叶片长期工作造成表面“污染”引起的性能下降大大减少，因而风力机的年发电量显著提高。该系列翼型主要适用于失速调节型的风力机。

2.RISΦ-A翼型系列

RISΦ-A翼型系列由丹麦RISΦ国家实验室设计，包括7种翼型，最大相对厚度为12％～30％，如图6-7所示。

RISΦ-A翼型系列的几何特征，是具有较尖锐的前缘，能够使流体迅速加速并产生负压峰值。气动性能方面，该翼型系列在接近失速时具有最大的升阻比，攻角为10°时的设计升力系数约为1.55，而最大升力系数为1.65。同时，RISΦ-A翼型系列具有对前缘粗糙度的不敏感性。

图6-6 NREL S828/S827/S818翼型外形

图6-7 RISΦ-A翼型系列外形(www.xing528.com)

3.FFA-W翼型系列

FFA-W翼型系列由瑞典航空研究所研制，具有较高的最大升力系数和升阻比，且在失速工况下具有良好的气动性能。FFA-W包括了3个翼型系列，分别为FFA-W1、FFA-W2和FFA-W3。

FFA-W1系列有6种翼型，相对厚度为12.8％～27.1％。该翼型系列的设计升力系数较高，可以满足低叶尖速比风力发电机组的设计需求。翼型系列中，薄翼型在表面光滑和层流条件下具有高升力阻比，同时对昆虫残骸或制造误差造成的前缘粗糙不敏感；较厚翼型在前缘粗糙情况下具有较高的最大升力系数和较大的升阻比。

FFA-W2翼型系列含2种翼型，相对厚度分别为15.2％和21.1％。该翼型系列与FFA-W1翼型系列的设计要求和设计目标相同，只是设计升力系数稍低，以满足不同的使用要求。

FFA-W3翼型系列包括7种翼型，相对厚度为19.5％～36.0％。图6-8为FFA-W3系列三个典型的翼型外形。

4.DU翼型系列

20世纪90年代，Delft大学先后发展了相对厚度从15％到40％的DU翼型族，该系列包含约15种翼型。DU翼型族使用广泛，风轮直径从29m到100m以上，功率从350kW到3.5MW的风力机上均有使用。DU翼型族的设及注重外侧翼型的高升阻比、高的最大升力系数及和缓的失速特性、气动性能对前缘粗糙度不敏感和低噪声等，另外对内侧翼型也适当满足上述要求，并重点考虑几何兼容性及结构和强度要求，叶展中部的翼型兼顾气动和结构特性。与传统翼型相比，DU翼型族具有限制的上表面厚度、较小的前缘半径和一定的压力面后加载。部分DU系列的几何外形如图6-9所示。

图6-8 FFA-W3翼型外形

a）FFA-W3-211 b）FFA-W3-241 c）FFA-W3-301

图6-9 部分DU系列翼型的几何外形