背景技术
风力发电过程就是通过风力发电机组将风能转化为机械能，并进一步使之转化为电能的过程。叶片是风力发电机组的核心部件之一，叶片的性能如何直接影响了风能转换的效率，叶片一般由一族几何兼容性良好的翼型通过一定的造型方法沿展向进行积叠而成，因而翼型的气体动力学性能和结构性能直接决定着叶片的性能，是叶片设计的关键。
由于航空翼型的气动特性在20世纪上半叶得到了充分的研究，传统的风力机叶片一般沿用航空翼型，如NACA44XX、NACA63XXX、NACA64XXX、NACA65XXX等。近年来，随着风电技术的迅猛发展和广泛应用，传统的航空翼型越来越不能满足风力机及其特殊运行环境的需求，突出地表现在最大升力系数对前缘粗糙度的敏感性较高、非设计工况性能不佳、结构和强度不能满足叶片大型化要求等。
由于室外运行的特点，水平轴风力机叶片的前缘常常会受到昆虫残骸和空气中的污染物的沾污，从而使叶片前缘的粗糙度增加。叶片前缘粗糙度增加会使翼型的最大升力系数降低，从而严重影响叶片整体的气动性能，降低风力机的出功能力。
进一步地，叶片捕捉到的能量绝大部分集中在叶片的中部和外侧区，因而要求这部分的翼型有较好的空气动力学性能，与其他位置的翼型相比，该段翼型应具有较大的最大升阻比、良好的失速特性、较低的粗糙度敏感性、低噪音、良好几何兼容性等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风力机叶片翼型族，以克服目前广泛应用于风力机叶片的NACA(国家航空咨询委员会)航空翼型最大升力系数对前缘粗糙度较敏感、失速特性不佳、最大升阻比较低、做功能力不高等缺点。
为实现上述目的，本发明提供的风力机叶片翼型族，包含第一至第四不同相对厚度的翼型，所述的相对厚度是各翼型上下两个面之间的最大厚度与弦线的长度的比值；
每个翼型均由前缘、尾缘、吸力面、压力面组成；
尾缘具有从前缘至尾缘弦长0.25％～0.63％的厚度，压力面为四个S形后加载；
该风力机叶片翼型族的上下两个面之间的相对厚度为15％-25％；
该风力机叶片翼型族的最大厚度的位置在距前缘点34％～32.3％处；
其中，第一至第四个翼型的轮廓，是分别由第一至第四个翼型压力面和吸力面上由各点的横坐标和纵坐标除以该翼型的弦长后得到该翼型的无量纲二维坐标，由该无量纲二维坐标平滑连接形成。
本发明的几何结构特点有效克服了目前广泛应用于风力机叶片的NACA航空翼型最大升力系数对前缘粗糙度较敏感、失速特性不佳、最大升阻比较低、做功能力不高等缺点。同NACA翼型相比，本发明风力机叶片翼型族的前缘曲率半径和吸力面的厚度较小，在相同的条件下，不仅能有效提高风能利用系数，而且可以明显改善叶片的结构性能，降低叶片面积，继而降低叶片使用材料和制造成本。同其它翼型相比，在相同的条件下，可提高风能利用效率20％～30％，而且可以明显改善叶片的结构性能。
具体实施方式
下面结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的具体实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
现在参照图1，图1显示了使用本发明翼型族140的风力机叶片100。本发明的翼型族优选的可以用于水平轴风力机叶片。叶片100包括紧邻轮毂(未显示)的内侧区110、外侧区120和叶尖区130。一般地，内侧区110约占叶片100展长的50％，外侧区约占叶片100展长的30％，叶尖区130约占叶片100展长的20％。
图2显示了本发明风力机翼型族140。翼型族140包括有前缘200、吸力面220、尾缘210、压力面230以及弦线190。弦线190从翼型族140的每个前缘200延伸到尾缘210。图2中所示第一翼型150、第二翼型160、第三翼型170、第四翼型180的前缘角度、吸力面厚度、尾缘厚度、压力面弧度、翼型厚度等均不相同，分别适合使用在图1所示的叶片100的外侧区120和叶尖区130。
各翼型之间都具有良好的几何兼容性，各翼型断面的叶片横断面按照本领域中公知的方法，可以由连接任何两个相邻翼型形状之间的相应部分的过渡面连接，翼型横断面按照公知的方法可以变换角度，以便对叶片输入有效的阻力，从而形成由空气动力性能要求所确定的变化的叶片迎角。
翼型厚度是指翼型上下表面之间的距离，最大厚度与弦长的比值称为翼型的相对厚度。本发明中翼型族140的相对厚度的范围为15％-25％，最大厚度的位置在距前缘点34％～32.3％处，雷诺数在3×106的工况下，其最大升力系数在1.6-1.7之间，适用于叶片长度20米以上、功率600kW以上的、失速型或变桨型的风力机。本发明的翼型族在Re＝3×106的工况下，失速特性良好，气流攻角大于临界攻角(最大升力系数对应的攻角)后，随着攻角的增大，翼型的升力系数变化平缓。
从翼型族140的外部几何特征上可以看出，与其他同等厚度的翼型相比，本翼型族前缘200比较尖，即前缘半径小，不同厚度的翼型前缘半径有不同的取值范围；吸力面220的厚度比较小，从而保证升力系数接近或达到最大时，吸力面220上从层流流动到湍流流动的转捩点的位置非常靠近或达到前缘点200，可以达到从前缘点至5％弦长的位置。这样就使得翼型族的最大升力系数都具有前缘粗糙度的不敏感性。
在本发明中，优选的，翼型族140的尾缘210都有一定的厚度，厚度范围为0.25％～0.63％弦长，与尾缘厚度为零的NACA尖尾缘翼型相比，这一几何特征可以适当削弱吸力面上气流的压力恢复程度，使流动保持附着，从而可以适当提高翼型的升力系数；另外，一定程度上还降低了生产制造风力机叶片的加工精度。优选的，在翼型族140的压力面230靠近尾缘可以加载增大体的S形轮廓的后加载，提高升力系数。
图3-图6显示了本发明翼型族140所包含的四个翼型的实施例，各实施例中翼型的外形轮廓。
表1-4中吸力面栏分别列出本发明翼型族140的第一翼型150、第二翼型160、第三翼型170以及第四翼型180吸力面的无量纲二维坐标数据点。每个翼型的弦线从前缘延伸至尾缘，弦线的长度为弦长，每个翼型吸力面上的各点的横坐标和纵坐标除以该翼型的弦长后得到该翼型吸力面的无量纲几何坐标。表1-4中压力面栏分别列出上述翼型压力面的无量纲二维坐标数据点。每个翼型压力面上的各点的横坐标和纵坐标除以该翼型的弦长后得到该翼型压力面的无量纲几何坐标。根据表中所列数据点由样条曲线光滑连接即可分别形成上述翼型的吸力面和压力面轮廓。第一、第二、第三翼型可以作为风力机叶片外侧区翼型；第四翼型可以作为风力机叶片中部翼型。
表中x/c值表示吸力面或者压力面上的某点在弦线方向上相对于前缘的位置，y/c值表示从弦线到吸力面或者压力面上某点的高度。表中描述翼型的无量纲二维坐标数据可以放大和缩小而保持翼型的形状不变，坐标的缩放方案为表1-4中的X、Y坐标值乘以或除以不为零的常数，继而得到满足设计要求的不同弦长大小的翼型。
下面具体说明每个翼型：
图3显示了本发明翼型族140的第一翼型150，优选的，该翼型的相对厚度为15％，用于叶片100的叶尖区130。翼型在雷诺数在3×106的工况下进行工作，并且同风力机专用翼型族140中其他翼型有着良好的几何兼容性。
第一翼型150具有第一翼型前缘151，第一翼型弦线152，第一翼型吸力面153，第一翼型尾缘154，第一翼型压力面155。第一翼型弦线152从第一翼型前缘151延伸至第一翼型尾缘154。第一翼型150的第一翼型吸力面153优选的，按照表1中压里面栏中列出的无量纲二维坐标数据点光滑连接所形成。
具体形状在表1中以无量纲坐标形式给出。x/c值表示吸力面153或压力面155上某点在弦线152方向上相对于前缘151的位置，y/c值则表示从弦线152到吸力面153或压力面155上某点的高度。这些值是作为相同的常数或数量的函数可缩放的，以提供比例放大或缩小而形状保持不变的翼型。
表1
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图4显示了风力机专用翼型族140的第二翼型160，其前缘为161，弦线为162，吸力面为163，尾缘为164，压力面为165。该翼型的厚度为18％，适用于叶片100的外侧区120。该翼型针对雷诺数在3×106的工况进行设计，同风力机专用翼型族140中其他翼型有着良好的几何兼容性。第二翼型160的具体形状在表2中以无量纲坐标形式给出。
表2
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图5显示了风力机专用翼型族140的第三翼型170，其前缘为171，弦线为172，吸力面为173，尾缘为174，压力面为175。该翼型的厚度为21％，适用于叶片100的外侧区120。该翼型针对雷诺数在3×106的工况进行设计，同风力机专用翼型族140中其他翼型有着良好的几何兼容性。第三翼型170的具体形状在表3中以无量纲坐标形式给出。
表3
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图6显示了风力机专用翼型族140的第四翼型180，其前缘为181，弦线为182，吸力面为183，尾缘为184，压力面为185。该翼型的厚度为25％，适用于叶片100的外侧区120。该翼型针对雷诺数在3×106的工况进行设计，同风力机专用翼型族140中其他翼型有着良好的几何兼容性。第四翼型180的具体形状在表4中以无量纲坐标形式给出。
表4
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以上所述，仅为本发明的优选实施例，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。