2.1　翼型的起源

风力机叶片沿展向某一位置的剖面的形状称之为翼型。

对风力机而言，翼型的气动性能对风力机整机的性能具有决定性的影响。风力机叶片将风能转化为机械能，而叶片是由不同扭角、不同弦长和不同外形的翼型沿展现排列而成。同一雷诺数下的不同翼型，其升力系数、阻力系数不尽相同。即便是同一翼型，翼型形状稍有变动（受侵蚀或结冰），其产生的升力或阻力也不相同，甚至出现升力减小、阻力增大的不利情况。在航天器中，翼型的气动性能决定了飞行器飞行过程中飞行速度的快慢、能耗的大小、航时的长短等问题。在风力机中，翼型的气动性能决定了风能转换效率、载荷分布和关键零部件的使用寿命。

翼型研究最早起始于19世纪初期。人们从日常生活中发现将平板在入射气流中调整合适角度便会产生一定的升力，随后相关学者便猜想，若将板截面形状调整为具有一定的弧线，与鸟类的翅膀相似，板的升力特征会更加明显，如图2-1所示。

英国航空协会成员维纳姆（F.H.Wenham，1824～1908）于1871年设计并建造了世界上第一座风洞。该风洞为四周封闭的矩形框，一端有一架鼓风机，提供试验用的气流，中间的一个支杆上安装试件，用弹簧测量气动升力。维纳姆在自制风洞中测试了大量不同外形的早期翼型，并发现经特殊处理后的翼型在15°攻角下，升阻力比可达到5左右。

另一位英国航空先驱菲利普斯（H.F.Phillips，1845～1912），在1880年前后设计和改进了维纳姆式风洞，并于1884年制造成功。菲利普斯研制的风洞的最大特点是将试样气流由直射式改为引射式，并且增加了过滤网，从而大大改善了试样气流的均匀性和平衡性。图2-2为早期研究翼型气动特性的小型风洞图。

不过，菲利普斯更大的贡献在于对翼型的研究。他曾试验过上百种翼型，单弯度、各种双弯度，甚至菱形形式。通过这些试验，他发现双弯度翼型即使在很小的攻角下也能产生升力。为检验获得的结论，菲利普斯制作了两个由蒸汽驱动的大型旋臂机。第一个旋臂机直径为17m，中间靠导轨支承。第二个直径约为5.5m。从外表看，旋臂机显得很笨重，但它们是当时最先进的旋臂机，可以自动测量、试验试件的速度、倾角、升力和阻力等数据。

基于试验结果和对高展弦比机翼的偏爱，菲利普斯于1893年设计出一架样子十分奇特的飞机。它上下排列着50个翼面，左右各对称布置25个，如图2-3所示。

这架飞机的结构十分脆弱，重心也偏高，没有试飞成功。菲利普斯的这项工作在当时遭到了许多非议，但他对翼型的研究和实验工作相当充分，并且获得了大量有价值的试验结果，对后续的航空事业有巨大的启发性。

美国工程师、航空专家奥克塔夫·陈纳（Octave Chanute，1832～1910）于1893年发表文章“飞行器进展”，指出日后大部分航空试验主要集中在具有凹凸形状的变截面机翼上，飞行器的成功与否取决于机翼能否提供持续的最大升力。

由于奥克塔夫·陈纳年事已高，他更愿意帮助年轻的飞行爱好者进行一系列的滑翔机试验，其中包括德国工程师和滑翔飞行家奥托·李林塔尔（Otto Lilienthal，1848～1896）和莱特兄弟（Orville Wright，1871～1948和Wilbur Wright，1867～1912）。这些试验结果逐渐使奥克塔夫·陈纳相信，使飞行器提升升力而不增加重力最有效的方式是在单个飞行器上进行两至三个机翼的叠加。图2-4为奥克塔夫·陈纳和其在1896年设计的双机翼滑翔机图。该双机翼滑翔机是莱特兄弟所设计飞机的雏形。

被后人称为“滑翔机之父”的奥托·李林塔尔在翼型研究方面与奥克塔夫持有相同的观点。奥托·李林塔尔进入航空研究领域的第一步是观察研究鸟类飞行，积累了大量关于鸟类的翅膀形状、面积和升力大小的数据。图2-5为李林塔尔和其试验的滑翔机图。

1861～1873年间，李林塔尔和弟弟古斯塔夫（G.Lilienthal，1849～1933）制造了多架动力飞机模型，但所依据的是前人留下的关于平板空气阻力和升力的试验数据，这些模型都不能飞起来。随后，他们决定自己制作翼型并试验，取得了气动力方面的第一手数据。

李林塔尔采用旋臂机，在试验过程中反复调整相关参数：臂长从2.2～7.8m；试验平板面积由0.1m2调整至0.6m2；试验速度由0.3～40.13m/s；试件的攻角分别在3°、6°、9°、15°、60°、70°、80°、90°之间转换。他们在定量试验基础上，获得了以下结论：升力与速度的平方成正比；利用平板机翼进行飞行是不可能的；弯曲翼面的升力特性比平板好得多。1889年，李林塔尔出版了《鸟类飞行——航空的基础》一书，这部著作集中讨论了鸟翼的结构、鸟的飞行方式和所体现的空气动力学原理，论述了人类飞行的种种问题，特别讨论了人造飞行机器翼面形状、面积大小和升力的关系。该书几乎成了他同时代和比他稍晚时代的航空先驱们的必读书，为航空发展做出了相当大的贡献。

随后，莱特兄弟发明的飞机较为全面地继承了李林塔尔的翼型思想，但又做出了一定的补充，指出李林塔尔的试验结果过低地估计了翼型的升力，过高地估计了翼型的阻力。1903年，莱特兄弟研制出了薄而带正弯度的翼型，并将该翼型运用在第一架依靠自身动力进行载人飞行的飞机——飞行者1号上，由此拉开了人类动力航空史的帷幕。

第一次世界大战中，飞机被首次运用于战场上。基于战争的促进，飞机的设计得到了极大的发展和提高。交战各国都在实践中摸索出了一些性能很好的翼_型。如俄国的儒可夫斯基翼型、德国的Gottingen翼型、英国的RAF翼型和美国的Clark Y翼型等。20世纪30年代以后，美国的NACA（National Advisory Committee for Aeronautics）翼型和前苏联的ЦАГИ（中央空气流体研究所）翼型得到了极大的应用和推广，如图2-6所示。

与传统的航空翼型相比，风力机翼型有着不同的工作条件和性能要求，具体表现在：风力机叶片通常工作在大雷诺数范围内，当雷诺数大于2×106时，其变化对翼型特性的影响显著减小。而在此数值以下时，翼型边界层的特征发生变化；风力机通常以大攻角运行，翼型失速特性明显；风力机工作在旋转状态下，同时伴随偏航现象的发生，风力机翼型在实际工作状态下的气动特征有别于直流状态下；风力机叶片工作在大气近地层，沙尘、雨滴、冰层和昆虫痕迹会增加叶片表面粗糙度，影响翼型空气动力学特性。