风力叶片叶尖曲面造型

1. 概述

由风力机叶片气动基本理论可知，叶尖处叶素受力对整个风力机性能影响较大(Ref[1])，叶尖的外形对叶片的气动性能和噪声影响甚大。故叶片的气动外形设计中，叶尖的曲面造型就显得很重要，本文主要描述的是叶尖曲面造型的方法。

2. 叶尖扭角分布

叶片气动布局的扭角分布如Figure 2.1所示，叶片整体扭角一般小于16°，在叶片叶尖处扭角变化较大，由负角度急转为正角度。

3. 叶尖曲面造型的形式

叶片的叶尖的曲面造型有多种形式，如Figure 3.1~Figure 3.2所示，综合考虑叶尖的曲面造型对气动性能和噪声的影响，我公司选择了Figure 3.3所示的叶尖曲面造型形式，叶尖处采用对称翼型的设计概念，减少叶尖处翼型吸力面和压力面的压力差，避免由于叶尖处速度差引起叶尖尾流涡，影响风力机整体气动性能。

4. 叶尖对称翼型的造型技术

控制截面翼型及前缘和尾缘样条曲线

以距离叶尖大概0.5m的某一个翼型为参考翼型，参考翼型靠近叶尖方向需选取两个控制截面翼型。控制截面翼型的前缘控制点和尾缘控制点要通过样条曲线保证，由两端的样条点确定对应展向截面的弦长。同时要保证样条曲线的曲率是连续的，不应有凹凸现象，两条样条曲线在叶尖的夹角应该大于90°。叶尖的控制截面翼型不宜太少或太多，一般控制在5~6个曲面即可，越靠近叶尖翼型之间的展向距离越近。

修剪翼型

修剪翼型的参考均使用非最叶尖区的最后一个翼型，且向叶尖方向逐个修剪。修剪翼型从P面开始，弦线与轴线的夹角依次增大，修剪的点之间用曲线桥接，但要保证尾缘厚度。当尾缘厚度较小时，修剪尾缘至适当厚度。当被修剪的翼型P面和S面关于修剪后翼型的弦长对称时，则表示翼型修剪完成。

叶尖曲面造型

修剪好的翼型弦长与直接放样得到的翼型弦长一般来说是不一致的，需要确保修剪后的翼型弦长大于放样翼型的弦长，然后将修剪后的翼型弦长经过缩放得到与放样翼型的弦长一致的翼型。将缩放后翼型的前缘点移至对应展向位置的前缘样条曲线的前缘控制点。

如果出现修剪翼型的弦长小于放样翼型的弦长，则需要减小修剪的区域。

叶尖修剪翼型完成之后，此处控制截面翼型应为对称翼型，如Figure 4.3所示。最叶尖截面的翼型弦长一般为20mm左右，该处翼型应为对称翼型的缩放，即仍然是对称翼型，如Figure 4.3所示。

叶尖曲面造型整体要求

1. 叶尖在绘制时要保证叶片的外形，如果在修剪过程中扭角不满足要求，则需要先满足外形要求后再进行翼型的修剪。

2. 经过翼型修剪后的叶片的预弯曲也需要满足叶片整体预弯的分布趋势，若预弯曲的分布曲线不平顺，则叶片最叶尖的预弯值不变，调节叶尖其他的截面。

3. 叶尖与叶片主体接合时要保证曲率连续，如若不能保证，至少要保证相切。修剪后的叶尖从前缘看去不能出现瓶颈。如Figure 4.4所示：

5. 结论

本报告给出叶尖曲面造型的一种对称翼型方法，满足叶片整体气动分布和叶尖曲率要求的前提下，叶尖曲面造型技术保证叶片气动特性和有效减小叶尖噪声。