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第 18 卷 第 6 期 中国水利水电科学研究院学报 Vol.18 No.6
2020 年 12 月 Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research December，2020

文章编号：1672-3031（2020）06-0462-07

流动空气压差比拟与风电叶片翼型线确定理论的探讨

张维恩，王娅萱，张淼淼，吴 彤，刘舒萱
（北京工业大学 环境与能源工程学院，北京 100124）

摘要：翼型是风电叶片设计的关键元素，对风电叶片的气动性能、风能转化和利用率都有重要影响。因此，翼型
研究一直是风电叶片研究的热点和难点。论文深入分析了流动空气与风电叶片的相互作用，提出了用空气重力比
拟其流动前后压差产生的动力的概念，建立了流动空气沿风电叶片流动的能量转化关系，以此为基础推导出了风
电 叶 片 翼 型 线 理 论 公 式 ， 并 用 Xfoil 软 件 对 比 分 析 了 翼 型 线 理 论 公 式 确 定 的 新 翼 型 和 BRUXEL36 翼 型 ， 发 现
在-2°～6°攻角条件下，新翼型具有较高升阻比，其中在攻角为 3°时，新翼型升阻比高出 BRUXEL36 翼型 25 左
右。论文研究为流动空气与风电叶片相互作用理论及风电叶片翼型线理论的发展提供了新尝试和重要借鉴。
关键词：风力发电；风电叶片；压差比拟；翼型
中图分类号：TK83 文献标识码：A doi：10.13244/j.cnki.jiwhr.20200062

1 研究背景

文献［1］研究发现，目前，风力发电叶片翼型基本沿用航空器翼型，尽管根据风力发电叶片自身
工况研制出了一些风电叶片翼型，但这些所谓的风电叶片专用翼型仍以探索为主，在流动空气与叶
片相互作用规律的认识及以这种认识为基础的风电叶片翼型理论尚须进行更深入的研究工作。风力
发电叶片就是其翼型沿风轮径向的分布，因此，翼型影响着流动空气与风电叶片的相互作用，也就
影响着风电叶片捕获风能的能力，所以研究风电叶片翼型线设计理论就是研究流动空气与风电叶片
［2］
的相互作用规律。常见的风电叶片翼型主要有三种表达方法：形函数扰动法、外形参数化方法 和解
［3］
析函数法。形函数扰动法是在原始翼型基础上添加扰动形函数进行线性叠加而产生翼型的方法 ，形
［4］
函数较多采用 Hicks-Henne 函数 ，但此种方法对原始翼型依赖性强。外形参数化法是用数个参数描
［5］
述翼型各个部位的几何尺寸，设计变量的几何意义明确，但难以用解析式表达 。解析函数法是用函
数式直接表示翼型，如早期用多项式表达的 NACA 4 位数、5 位数系列翼型等。目前仍有学者对翼型
进行较深入的研究工作，文献［6］提出了一种基于 Trajkovski 共形变换理论的风力发电翼型的广义函
数 ， 此 函 数 可 用 于 拟 合 现 有 的 翼 型 型 线 ， 可 通 过 调 整 广 义 函 数 系 数 创 建 新 的 翼 型 型 线 ， 并 以
FX66-S196-V1 翼型为例，通过选取适当的拟合项数，求解出了其解析式，为风力发电专用翼型设计
理论和方法的研究拓宽了思路；文献［7-9］分别基于保角变换、儒可夫斯基翼型变换和西奥道生法，
提出了翼型型线的集成设计理论及方法，推导出了能够广泛应用的翼型集成的级数表达形式； 文献
［10］提出了一种设计大型风力发电叶片翼型系列的集成方法。对于给定的转子直径和叶尖速比，基
于局部速度比设计最佳翼型。文献［11］基于梯度算法、XFOIL 代码以及与贝塞尔曲线的原始参数化
相结合描述翼型，结果表明新翼型与现有候选翼型相比具有更好的气动性能和控制性能；文献［12］
根据一种演化算法优化工具链接到几何模块以生成翼型的几何形状；文献［13］提出了一种基于翼型
积分表达式和 B 样条曲线设计出了两种具有相似厚度的新翼型；Yiu 等 ［14］ 利用流逸技术和最小二乘法
［15］
设计翼型；Shenoy 结合优化算法和流程代码以及实施一次性方法解决最佳翼型设计问题；Thina⁃

收稿日期：2020-05-20；网络首发时间：2020-12-09
网络首发地址：https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.5020.TV.20201207.1007.003.html
基金项目：北京工业大学第二十一届“星火基金”（XH-2020-05-03）
作者简介：张维恩（2000-），主要从事环境与能源工程领域的研究。E-mail：ratham@163.com
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