CAS翼型族在大型风力机上的应用研究 刘强.doc

中国工程热物理学会 流体机械 学术会议论文 编号：11 CAS翼型族在大型风力机上的应用研究 刘强1,2，杨科1，黄宸武1,2，白井艳1,2，张磊1,2，徐建中1 （1. 中国科学院工程热物理研究所，北京 100190； 2. 中国科学院研究生院，北京 100190） （Tel: 13426, Email: liuqiang@mail.etp.ac.cn） 摘要： 关键词：引言([1]。 为了掌握风力机专用翼型的设计方法，提高我国风电叶片的设计水平，中科院工程热物理所在国家863计划“风力机先进翼型族的设计与实验研究”的支持下设计了一套适合我国气候和风资源特点的风力机专用翼型族：CAS翼型族。根据XFOIL的计算结果，与同等厚度的DU翼型相比，CAS翼型具有良好的气动特性，如具有较高的升力系数和升阻比，以及较好的前缘粗糙不敏感性等[2]。 本文将40%、35%、30%、25%、21%和18%五个相对厚度的CAS翼型与NREL 5 MW海上风力机叶片上相应厚度的DU翼型和NACA翼型进行同等替换，得到CAS 5 MW风力机，并对NREL 5 MW和CAS 5 MW风轮在保持网格结构和数量相同的条件下进行三维CFD数值模拟，通过详细对比两者在功率和载荷方面的差异，以及设置固定转捩前后气动性能的变化情况，对CAS翼型族在大型风力机上的表现进行评估。 风力机模型 20092月，为了向海上风电技术的概念研究提供标准的模型数据，美国可再生能源实验室（NREL）的Jonkman等人在综合Repower 5M、 MultiBrid M5000等商业多兆瓦级风力机公开的数据，以及美国WindPACT项目、丹麦RECOFF项目、荷兰DOWEC项目研究成果的基础上，开发了一台具有代表性和实际应用意义的5 MW海上风力机，即“NREL海上5 MW基准风力机”（NREL offshore 5-MW wind turbine，以下简称NREL 5 MW风力机）。该风力机是一台三叶片、上风向风力机，采用变速变桨的功率控制方式，其总体技术参数如表1所示[3]： 表1总术参数 3 叶片长度 61.5 m 风轮直径 126 m 额定功率 5 MW 额定风速 11.4 m/s 切入风速 3 m/s 切出风速 25 m/s 额定转速 12.1 rpm 切入转速 6.9 rpm 功率控制方式 变速变桨 传动方式 多级齿轮箱 齿轮箱增速比 97:1 除叶根圆柱段和过渡段以外，沿叶片展向的控制翼型包括从40%到21%五个厚度的DU系列翼型和一个18%厚度的NACA翼型，各翼型在叶片上的分布如表2所示，叶片的弦长、扭角分布如图1[3][4][5]对该风力机的气动特性进行了详细的研究。 表2 翼型分布 展向起点 NREL 5 MW CAS 5 MW 0 m Cylinder1 Cylinder1 4.18 m Cylinder2 Cylinder2 8.35 m DU 00-W2-401 CAS-W1-400 13.2 m DU 00-W2-350 CAS-W1-350 18.69 m DU 97-W-300 CAS-W1-300 24.99 m DU 91-W2-250 CAS-W1-250Mod 32.42 m DU 93-W-210 CAS-W1-210Mod 40.67 m NACA64618 CAS-W1-180Mod 图1 长图2所示，从图中可以看出CAS翼型所具有的三个特点：第一，为了增加叶片尾缘的结构强度，同时考虑到叶片加工的实际情况，CAS翼型均具有一定的尾缘厚度；第二，为了提高升力系数，CAS翼型均具有一定程度的S形后加载；第三，为了降低前缘粗糙度敏感性，CAS翼型的前缘半径均较小。 图2 DU/NACA翼型与CAS翼型外形对比 文献[2]通过数值计算和实验详细对比了CAS翼型和DU翼型的气动性能，结果表明CAS翼型具有较高的升力系数和升阻比，以及较好的前缘粗糙不敏感性。图 3是在雷诺数为6×106条件下，采用XFOIL计算得到的升力系数和升阻比曲线，从中可以看出CAS-W1-180Mod翼型的气动性能优于NACA64618翼型，图中的实验数据来源于文献[3]。 图 3 CAS-W1-180Mod翼型与NACA64618翼型气动性能对比 CFD计算及分析 采用NUMECA的FINETM/TURBO软件包对风轮的气动特性进行数值模拟。该软件采用