風(fēng)力發(fā)電課程設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)

課 程 設(shè) 計(jì)設(shè)計(jì)題目： 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)課程設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)要求一、課程設(shè)計(jì)的目的和意義通過課程設(shè)計(jì)使學(xué)生能綜合運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)理論、基本技能和專業(yè)知識(shí)，聯(lián)系生產(chǎn)及科研實(shí)際完成某一課程設(shè)計(jì)題目。培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程問題的能力以及一定的科研、實(shí)踐能力；培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)的治學(xué)方法和刻苦鉆研、勇于探索的精神；培養(yǎng)學(xué)生的業(yè)務(wù)素質(zhì)、創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)精神等。課程設(shè)計(jì)過程中，深化有關(guān)理論知識(shí)，擴(kuò)大知識(shí)面，獲得閱讀文獻(xiàn)、調(diào)查研究、總結(jié)提煉以及使用工具書和寫作等方面的綜合訓(xùn)練。通過課程設(shè)計(jì)工作可以有效地檢驗(yàn)“教”、“學(xué)”質(zhì)量。二、課程設(shè)計(jì)對(duì)學(xué)生的要求1. 指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)正確、相對(duì)獨(dú)立地完成一項(xiàng)給定任務(wù)的全過程，包括資料收集、調(diào)研、方案比較、數(shù)據(jù)采集與處理、計(jì)算與結(jié)果分析、總結(jié)提煉觀點(diǎn)、得出結(jié)論、繪制有關(guān)圖表、編寫設(shè)計(jì)報(bào)告、說明講解與回答問題、課程設(shè)計(jì)考核等。嚴(yán)禁以任何方式抄襲他人成果或網(wǎng)上相關(guān)文章，也不能請(qǐng)他人代替完成設(shè)計(jì)，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，課程設(shè)計(jì)成績(jī)按不及格處理。2. 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書要求，學(xué)生在設(shè)計(jì)開始較短時(shí)間內(nèi)(1-2天)應(yīng)掌握所進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，包括：資料收集與準(zhǔn)備、設(shè)計(jì)任務(wù)與思路、工作任務(wù)分解、各階段任務(wù)的時(shí)間分配、暫時(shí)存在的問題等。3. 設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生應(yīng)主動(dòng)向指導(dǎo)教師匯報(bào)工作進(jìn)度和遇到的疑難問題，爭(zhēng)取指導(dǎo)教師的指導(dǎo)和監(jiān)督。指導(dǎo)教師會(huì)隨時(shí)進(jìn)行指導(dǎo)，并抽查學(xué)生的設(shè)計(jì)進(jìn)展情況。4. 學(xué)生應(yīng)嚴(yán)格遵守紀(jì)律。按指導(dǎo)教師要求，在規(guī)定時(shí)間、固定教室內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如有特殊情況，應(yīng)及時(shí)告知指導(dǎo)教師，嚴(yán)格請(qǐng)假制度。5. 設(shè)計(jì)考核前學(xué)生需提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，設(shè)計(jì)報(bào)告應(yīng)按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行撰寫，并按指導(dǎo)教師要求整理、修改，及時(shí)上交。晚交設(shè)計(jì)報(bào)告，成績(jī)降檔處理；不交設(shè)計(jì)報(bào)告，按不及格處理。6. 屬下列情況之一者，不予考核并取消設(shè)計(jì)成績(jī)：(1)沒有保證設(shè)計(jì)時(shí)間，缺席時(shí)間三分之一以上者或未完成規(guī)定任務(wù)的最低限度要求；(2)剽竊他人設(shè)計(jì)結(jié)果或直接照抄他人設(shè)計(jì)報(bào)告；(3)設(shè)計(jì)結(jié)果存在較大錯(cuò)誤，經(jīng)指導(dǎo)教師指出而未修改；(4)設(shè)計(jì)結(jié)果在書寫或其他方面未滿足規(guī)定的最低要求。三、課程設(shè)計(jì)考核1.課程設(shè)計(jì)的過程考核(1) 學(xué)生是否按設(shè)計(jì)任務(wù)書所提出的要求與時(shí)間，完成各階段所規(guī)定的任務(wù)。(2) 設(shè)計(jì)完成的質(zhì)量和完成過程中所表現(xiàn)的創(chuàng)造性和學(xué)習(xí)態(tài)度，包括出勤情況等。(3) 學(xué)生是否較好掌握設(shè)計(jì)所涉及的基礎(chǔ)理論、基本技能和專業(yè)知識(shí)等。(4) 設(shè)計(jì)報(bào)告思路是否清晰，文字、公式及圖表等是否符合規(guī)范，報(bào)告上交是否及時(shí)等。(5) 必要時(shí)學(xué)生需上交課程設(shè)計(jì)草稿，設(shè)計(jì)結(jié)束當(dāng)天進(jìn)行答辯或筆試考核等。2.課程設(shè)計(jì)的成績(jī)?cè)u(píng)定課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定采用優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格五級(jí)分制記分，成績(jī)包括平時(shí)答疑成績(jī)、設(shè)計(jì)說明書成績(jī)和答辯成績(jī)?nèi)糠?，其中平時(shí)答疑占20分，設(shè)計(jì)說明書成績(jī)占40分，答辯成績(jī)占40分。 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1設(shè)計(jì)目的：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)課程設(shè)計(jì)是新能源科學(xué)與工程專業(yè)重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。通過該教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生熟練掌握風(fēng)力機(jī)葉片工作原理，并能夠通過結(jié)合動(dòng)量葉素理論相關(guān)知識(shí)與給定的環(huán)境條件設(shè)計(jì)出工作葉片，鞏固和提高其風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)及制造知識(shí)，樹立其理論知識(shí)指導(dǎo)設(shè)計(jì)的工作思想，加深其對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際的了解，培養(yǎng)其對(duì)工程技術(shù)問題嚴(yán)肅認(rèn)真、負(fù)責(zé)的態(tài)度，為其以后從事實(shí)際工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求：一、設(shè)計(jì)內(nèi)容： （1）基于葉素和動(dòng)量理論設(shè)計(jì)水平軸風(fēng)力機(jī)葉片； （2）繪制風(fēng)力機(jī)葉片弦長(zhǎng)隨葉片展向長(zhǎng)度的變化曲線； （3）繪制風(fēng)力機(jī)葉片扭角隨葉片展向長(zhǎng)度的變化曲線； （4）繪制設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)的性能曲線； （5）編寫設(shè)計(jì)說明書，并附上必要的計(jì)算公式； （6）分組分別設(shè)計(jì)出不同翼型的風(fēng)力機(jī)葉片。2、 設(shè)計(jì)要求： （1）掌握風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)原理； （2）掌握風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)過程； （3）完成風(fēng)力機(jī)葉片參數(shù)的確定； （4）按時(shí)提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告、圖紙，課程設(shè)計(jì)報(bào)告不少于5000字，統(tǒng)一用A4紙，符合科技文體規(guī)范。主要內(nèi)容及裝訂順序：封面、課程設(shè)計(jì)要求、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書、課程設(shè)計(jì)任務(wù)分配表、成績(jī)考核表、摘要、目錄、設(shè)計(jì)計(jì)算說明書正文、設(shè)計(jì)日志、總結(jié)； （5）設(shè)計(jì)計(jì)算說明書正文部分應(yīng)該包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容：1）前言，2）設(shè)計(jì)任務(wù)簡(jiǎn)述，3）設(shè)計(jì)理論，4）設(shè)計(jì)過程，5）設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，6）設(shè)計(jì)圖表，7）設(shè)計(jì)結(jié)論，8）參考文獻(xiàn)； （6）設(shè)計(jì)報(bào)告嚴(yán)禁抄襲，否則按不及格論； （7）繪圖要求準(zhǔn)確； （8）按時(shí)做好答辯用PPT，參加課程設(shè)計(jì)答辯。3設(shè)計(jì)工作任務(wù)及工作量的要求一、對(duì)于給定的風(fēng)力機(jī)工作環(huán)境以及功率按照給定的參數(shù)設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)工作葉片 每組同學(xué)數(shù)據(jù)給定情況不同可以采用手算和計(jì)算機(jī)編程序兩種方式進(jìn)行，在答辯時(shí)要提前說明計(jì)算方法以及在每種方法中遇到的問題，經(jīng)教師校驗(yàn)方法正確后方可進(jìn)行答辯。二、編制課程設(shè)計(jì)計(jì)算說明書設(shè)計(jì)計(jì)算說明書中應(yīng)附上主要計(jì)算公式以及適用條件、工作原理、設(shè)計(jì)方法、系統(tǒng)構(gòu)成及流程、計(jì)算成立條件，字?jǐn)?shù)5000字（至少要3000字），要求條理清晰，邏輯嚴(yán)密，字跡工整。4主要參考文獻(xiàn)：1 風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)理論及方法.趙丹平.北京大學(xué)出版社,2012.2 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用.范海寬.北京大學(xué)出版社,2013.3 風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué).吳雙群.北京大學(xué)出版社,2009.4 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行與維護(hù). 葉杭冶.電子工業(yè)出版社,2010.5 風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)行. 何顯富,盧霞等.化學(xué)工業(yè)出版社,2009.6 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組原理及應(yīng)用(第2版). 姚興佳,宋俊.機(jī)械工業(yè)出版社,2009.7 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì).芮曉明.機(jī)械工業(yè)出版社,2010.8 CAD繪圖的相關(guān)資料及其他風(fēng)力發(fā)電相關(guān)書籍、技術(shù)文章等.5所用基礎(chǔ)理論： 根據(jù)動(dòng)量理論，描述作用在風(fēng)輪上的力與來流速度之間的關(guān)系。 根據(jù)葉素理論，將風(fēng)輪葉片沿展向分成許多微段，即葉素，并假設(shè)在每個(gè)葉素上作用的氣流相互之間沒有干擾，作用在葉片上的力可分解為升力和阻力。 葉素-動(dòng)量理論，假設(shè)各個(gè)葉素單元作用相互獨(dú)立，各個(gè)圓環(huán)之間沒有徑向干擾，軸向誘導(dǎo)因子并不沿著徑向方向改變。6相關(guān)參數(shù)的選定：（1） 額定風(fēng)速： m/s （2）額定功率： kW（3）起動(dòng)風(fēng)速：m/s（4）機(jī)電效率：（5）抗最大風(fēng)速：m/s（6）風(fēng)輪轉(zhuǎn)速：rpm（7）風(fēng)能利用系數(shù)：（8）傳動(dòng)效率：（9）發(fā)電機(jī)效率： （10）葉片材料：碳纖維復(fù)合材料7. 常用變量參數(shù)聲明：Pu-額定功率P-設(shè)計(jì)計(jì)算功率P-風(fēng)流經(jīng)風(fēng)輪損失功率D-風(fēng)輪直徑L-葉片長(zhǎng)度B-葉片數(shù)C-葉片剖面弦長(zhǎng)-風(fēng)輪實(shí)度R-風(fēng)輪半徑r-葉素距旋轉(zhuǎn)中心的距離A-風(fēng)輪掃過的面積U1-額定風(fēng)速，來流風(fēng)速U2-風(fēng)流過風(fēng)輪后的下風(fēng)向風(fēng)速-葉素攻角，最佳攻角Cl-升力系數(shù)Cd-阻力系數(shù)-葉素入流角-葉素扭角，槳距角 -r/R葉素到旋轉(zhuǎn)中心距離與風(fēng)輪半徑的比值 Cx-法向力系數(shù) Cy-切向力系數(shù) -風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度，額定旋轉(zhuǎn)速度 -葉素旋轉(zhuǎn)速度與主流風(fēng)速比 。-葉尖速比 W-葉素合成流速 r-葉片弦長(zhǎng)實(shí)度 M-葉片轉(zhuǎn)矩 T-風(fēng)輪軸向推力 a-軸向誘導(dǎo)因子 b-周向誘導(dǎo)因子8 工作計(jì)劃及進(jìn)度： 第一章 緒論1.引言隨著化石能源的過渡消耗以及其對(duì)環(huán)境帶來的嚴(yán)重影響，風(fēng)能憑其清潔、可循環(huán)利用等諸多優(yōu)點(diǎn)而越來越受到重視，各國(guó)都在積極開發(fā)利用本國(guó)的風(fēng)能資源，中國(guó)也不例外。探索小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合材料葉片設(shè)計(jì)與制造方能源是人類社會(huì)發(fā)展的不竭動(dòng)力，現(xiàn)今化石能源的日益枯竭和其帶來的環(huán)境 污染問題成為困擾社會(huì)的兩大難題。破解迷局的重要方式之一是用清潔能源代替 傳統(tǒng)能源，而風(fēng)力發(fā)電正是清潔能源中技術(shù)最成熟，價(jià)格最接近傳統(tǒng)火力發(fā)電的 新能源。風(fēng)力發(fā)電在全球方興未艾，歐洲計(jì)劃在2020年使風(fēng)力發(fā)電量達(dá)到總發(fā)電量的12，其他各發(fā)達(dá)國(guó)家也正在大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電。中國(guó)風(fēng)能資源豐富，非 常適合發(fā)展風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。本文對(duì)占我國(guó)面積50地域的風(fēng)能可利用區(qū)進(jìn)行了研 究，這里居住著我國(guó)絕大多數(shù)的貧困人口、農(nóng)牧民和邊防軍人，發(fā)展適合那里的 偏低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)可以改善生活條件和生存環(huán)境并且可以促進(jìn)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。風(fēng)能可利用區(qū)大于3ms風(fēng)速每年只有20004000h，而如今的風(fēng)能發(fā)電技 術(shù)都屬高風(fēng)速技術(shù)，啟動(dòng)風(fēng)速較高，不適合在這一地區(qū)應(yīng)用。要更高效的利用這 么廣大地域的風(fēng)能只有發(fā)展新型適合偏低風(fēng)速地域的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，而葉片又是 風(fēng)力發(fā)電機(jī)中最重要的單元。葉片設(shè)計(jì)的好壞決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)劣。 風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國(guó)的重視。其蘊(yùn)量巨大，全球的風(fēng)能約為2.74109MW，其中可利用的風(fēng)能為2107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。風(fēng)很早就被人們利用-主要是通過風(fēng)車來抽水、磨面等，而現(xiàn)在，人們感興趣的是如何利用風(fēng)來發(fā)電。 把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械動(dòng)能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電力動(dòng)能，這就是風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電的原理，是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。依據(jù)目前的風(fēng)車技術(shù)，大約是每秒三米的微風(fēng)速度（微風(fēng)的程度），便可以開始發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮，因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電不需要使用燃料，也不會(huì)產(chǎn)生輻射或空氣污染。風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)課程設(shè)計(jì)是風(fēng)能與動(dòng)力工程專業(yè)中重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。通過該教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生熟練掌握風(fēng)力機(jī)葉片工作原理，并能夠通過結(jié)合動(dòng)量葉素理論相關(guān)知識(shí)與給定的環(huán)境條件設(shè)計(jì)出工作葉片，鞏固和提高其風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)及制造知識(shí)，樹立其理論知識(shí)指導(dǎo)設(shè)計(jì)的工作思想，加深其對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際的了解，培養(yǎng)其對(duì)工程技術(shù)問題嚴(yán)肅認(rèn)真、負(fù)責(zé)的態(tài)度，為其以后從事實(shí)際工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2. 設(shè)計(jì)任務(wù)簡(jiǎn)述。（1） 、課程設(shè)計(jì)的流程（2） .概念設(shè)計(jì)內(nèi)容a. 葉輪直徑計(jì)算與設(shè)計(jì)b.額定風(fēng)速與轉(zhuǎn)速的確定c.功率控制方式e.葉片性能分析與計(jì)算f.葉片造型的設(shè)計(jì) 第二章 葉片設(shè)計(jì)理論1、葉素理論 葉素理論的基本出發(fā)點(diǎn)是將風(fēng)輪葉片沿展向分成許多微段，稱這些微段為葉素。假設(shè)在每個(gè)葉素上的流動(dòng)相互之間沒有干擾，即葉素可以看成是二維翼型，這時(shí)，將作用在每個(gè)葉素的力和力矩沿展向積分，就可以求得作用在風(fēng)輪上的力和力矩。 對(duì)每個(gè)葉素來說，其速度可以分解為垂直于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面的分量和平行風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面的分量，速度三角形和空氣動(dòng)力分量如圖2-3所示。圖中：角為入流角，為迎角，為葉片在葉素處的幾何扭角。 合成氣流速度引起的作用在長(zhǎng)度為dr葉素上的空氣動(dòng)力可以分解為法向力和切向力，和可分別表示為 （2-1） 其中 空氣密度；c葉素剖面弦長(zhǎng)；e、q分別表示法向力系數(shù)和切向力系數(shù)，即 （2-2） 這時(shí)，作用在風(fēng)輪平面dr圓環(huán)上的軸向力可表示為 （2-3） 式中 B-葉片數(shù)。作用在風(fēng)輪平面dr圓環(huán)上的轉(zhuǎn)矩為 （2-4）2、動(dòng)量葉素理論為了計(jì)算作用在風(fēng)輪葉片上的力和力矩，必須計(jì)算風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面中的軸向誘導(dǎo)因子a和周向誘導(dǎo)因子b，這就需要用動(dòng)量葉素理論來求解。 因?yàn)?和 （2-5）由葉素理論可得 和 （2-6） 綜上可得 （2-7）式中 （2-8）由圖（2-3）所示的速度三角形和式 （2-9）可得 （2-10）整理后可得 （2-11）同理 （2-12）由上述公式可得 （2-13）由圖2-3所示的速度三角形和式(2-9)可得 （2-14）將式(2-10)和式(2-14)代入式(2-13)可得 （2-15）如果考慮普朗特葉尖損失修正因子 （2-16）則式(2-11）和式(2-16)可表示為 （2-17）這樣，根據(jù)上面的關(guān)系式就可以通過迭代方法求得軸向誘導(dǎo)因子a和周向誘導(dǎo)因子b，迭代步驟如下_x0001_ 設(shè)a和b的初值，一般可取0 ；計(jì)算入流角計(jì)算迎角根據(jù)翼型空氣動(dòng)力特性曲線得到葉素的升力系數(shù)和阻力系數(shù)：計(jì)算葉素的法向力系數(shù)和切向力系數(shù)。計(jì)算a和b的新值比較新計(jì)算的a和b的值與上一次的a和b值，如果誤差小于設(shè)定的誤差值(一般可取0001)，則迭代終止；否則，再回到繼續(xù)迭代。需要指出的是：當(dāng)風(fēng)輪葉片部分進(jìn)入渦環(huán)狀態(tài)時(shí)，動(dòng)量方程不再適用；這時(shí)，可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)動(dòng)量葉素理論進(jìn)行修正。_x0001_ 爾森(Wilson)修正方法當(dāng)a>0.38時(shí)，將第步中的由 （2-18） 代替。葛勞渥特(Glarert)修正方法當(dāng)a>0.2時(shí)，將第步中的由 （2-19） 代替。式中 （2-20）需要指出的是：在上述計(jì)算軸向誘導(dǎo)因子a和周向誘導(dǎo)因子b時(shí)，都假定風(fēng)輪的錐角Z為零，當(dāng)風(fēng)輪的錐角不為零時(shí)，則式(2-11)、(2-15)可分別表示為 （2-21）式中 （2-22）根據(jù)上面的方法就可以用選代方法求得風(fēng)輪有錐角時(shí)的軸向誘導(dǎo)因子a和周向誘導(dǎo)因子b。3、葛勞渥旋渦理論及葉片外形的確定 葛勞渥旋渦理論是由美國(guó)馬薩諸塞州阿默斯特大學(xué)的研究者建立的一種風(fēng)輪理論模型，它考慮了氣流通過風(fēng)輪后的旋渦效應(yīng)以及氣流由旋渦效應(yīng)而產(chǎn)生的誘導(dǎo)速度。 （1）、風(fēng)輪的旋渦系風(fēng)輪的葉片是有限長(zhǎng)度的，葛勞渥旋渦理論表明在通過風(fēng)輪的氣流中，在風(fēng)輪平面及風(fēng)輪后方都會(huì)產(chǎn)生后緣旋渦系，旋渦系由兩個(gè)主要旋渦組成：一個(gè)靠近輪轂，另一個(gè)在葉尖當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過葉尖和輪毅的氣流隨后成螺旋狀，各后緣旋渦本身也成螺旋形，并證明了通過風(fēng)輪平面的氣流旋轉(zhuǎn)速度是風(fēng)輪后方氣流旋轉(zhuǎn)速度的一半空間給定一點(diǎn)處的風(fēng)速可以看作是未受干擾的風(fēng)速和旋渦系誘導(dǎo)速度的合成，而旋渦誘導(dǎo)速度本身又可看成是以下三個(gè)旋渦系誘導(dǎo)速度的合速度：(a)以風(fēng)輪軸線為中心的旋渦：(b)附著在各個(gè)葉片上的旋渦；(c)從各個(gè)葉尖流出的螺旋狀旋渦。葛勞渥漩渦系如圖2-4所示圖2-4風(fēng)輪漩渦系 （2）、葉片外形的確定 所謂葉片外形的確定即確定葉片不同旋轉(zhuǎn)半徑處葉素的弦長(zhǎng)、安裝角等，并根據(jù)這些葉素構(gòu)造出整個(gè)葉片的形狀。本文根據(jù)葛勞渥旋渦理論，給出風(fēng)力機(jī)葉片在給定旋轉(zhuǎn)半徑，處葉素的弦長(zhǎng)和安裝角的計(jì)算公式參照?qǐng)D2-7，設(shè)風(fēng)輪葉片數(shù)為b，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速為，在風(fēng)輪后方的氣流中，相對(duì)于葉片的轉(zhuǎn)速為，設(shè)，h稱為周向誘導(dǎo)因子，則，根據(jù)葛勞渥旋渦理論，則氣流通過風(fēng)輪平面時(shí)相對(duì)于葉片的角速度可表達(dá)為： （2-23）在距轉(zhuǎn)軸，處，葉素的圓周線速度為： （2-24）參照貝茨理論中對(duì)風(fēng)速的定義，設(shè)，k稱為軸向誘導(dǎo)因子，通過風(fēng)輪的軸向速度可表達(dá)為： （2-25）根據(jù)葉素理論和圖2-6，在半徑為r，處葉素的傾角I和相對(duì)速度W(此處只研究速度的大小，故采用標(biāo)量形式)為： （2-26） （2-27）根據(jù)葉素理論有： （2-28）將dR投影到轉(zhuǎn)軸上，再投影到圓周速度U方向上，可dR的軸向分力： （2-29）dR的切向分力： （2-30）由圖2-6得到關(guān)系式,為葉素升力dRf與總的空氣動(dòng)力dR之間的夾角，由此關(guān)系式可將上兩式 寫為： （2-31） （2-32）則整個(gè)風(fēng)輪位于( r,r+dr)之間的葉素所產(chǎn)生的軸向推力可寫為： （2-33）所產(chǎn)生的空氣動(dòng)力扭矩為： （2-34） 接著考慮氣流通過風(fēng)輪時(shí)的動(dòng)量變化情況。由動(dòng)量定量可知，推力dF等于通過圓環(huán)形單元的質(zhì)量rtl與軸向速度變化量的乘積，即：，由于，則： （2-35）同理?？紤]角動(dòng)量矩可得單元扣矩dM： （2-36）式中，于是得到： （2-37）結(jié)合葉素理論和動(dòng)量定理的結(jié)果：由dF表達(dá)式并將及其函數(shù)W代換后得到： （2-38）轉(zhuǎn)換后得到； （2-39）由dM的表達(dá)式可得： （2-40）轉(zhuǎn)換后得到： （2-41）將(2-39)、(2-41)兩式相除得： （2-42）在確定軸向誘導(dǎo)因子K和周向誘導(dǎo)因子h傾角I及弦長(zhǎng)l，時(shí)，根據(jù)使功率系數(shù)，能得到最大值，同時(shí)假設(shè)風(fēng)輪無阻力，即。此時(shí)式(2-42)可寫為： （2-43）整理后解得： （2-44）當(dāng)風(fēng)通過環(huán)形區(qū)域(r，r+dr)時(shí)風(fēng)機(jī)所能得到的功率為： （2-45）結(jié)合貝茨理論中的功率系數(shù)的概念得到： （2-46）將式(2-44)代入此功率系數(shù)表達(dá)式得： （2-47）對(duì)于給定的值，當(dāng)要使功率系數(shù)有最大值，則必須。經(jīng)過計(jì)算，當(dāng)k滿足方程： （2-48）時(shí)可得到最大值。將式(2-48)改寫為： （2-49）并設(shè)： (2-50)將式(2-50)值代入式(2-48)后除以非并由此計(jì)算得到中間變量的表達(dá)式： （2-51）對(duì)于每個(gè)值，可以根據(jù)式(2-50)、(2-51)確定k和。計(jì)算傾角I和參量的公式也可由前面的推導(dǎo)得出： （2-52） （2-53）為了便于計(jì)算的值，仍然假設(shè)風(fēng)輪無阻力即=0。此時(shí)Ctblr的表達(dá)式可以寫為： （2-54）利用此關(guān)系式即可確定在某一半徑R處葉素的弦長(zhǎng)l圖2-5說明：由于假設(shè)，即c,=o，簡(jiǎn)化了計(jì)算，但實(shí)際的風(fēng)機(jī)是不可能沒有阻力的，即tgo。而是等于所在運(yùn)行攻角的值.這時(shí)計(jì)算出的傾角、弦長(zhǎng)等參數(shù)會(huì)和用公式(2-54)算得的有差別，只是此時(shí)tg值很小，只有0.02，如圖2-5所示，其值對(duì)結(jié)果的影響很小，故不再探討其影響的大小。本章小結(jié)：本章主要介紹了風(fēng)力機(jī)的相關(guān)基本理論，這些理論是隨著流體力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展并通過實(shí)踐而建立起來的，其中貝茨理論是其他兩種理論的基礎(chǔ)，葛勞渥旋渦理論是一種比較完善的風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)理論理論，它綜合利用前兩種理論，并考慮氣流的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)同時(shí)結(jié)合動(dòng)量定理得出葉片形狀的設(shè)計(jì)公式，在第三章中將利用這些公式進(jìn)行葉片的設(shè)計(jì)。- 1 -額定風(fēng)速：7.8 m/s機(jī)電效率：=0.72風(fēng)能利用系數(shù)：此處取0.4額定功率：500 w空氣密度：1.225 kg/m翼型：NACA 23012起動(dòng)風(fēng)速：3 m/s風(fēng)輪轉(zhuǎn)速：240 rpm葉片材料：復(fù)合材料第三章 葉片的設(shè)計(jì)過程（1） 、計(jì)算風(fēng)輪直徑。利用公式 D= = =2.8m則風(fēng)輪半徑R=1.4mm。（2） 、計(jì)算葉片長(zhǎng)度。假設(shè)輪轂半徑為80mm，那么葉片長(zhǎng)度為 =R-=1400-80=1320mm（3） 、等分葉片。把它分成15等份，則每等份為88mm，取成整數(shù)后可以把前14個(gè)截面段分為90mm，這樣，最后一個(gè)截面段為60mm。（4） 計(jì)算各截面周速比。首先計(jì)算出額定葉尖速比 = = =4.51計(jì)算各截面的周速比 =4.51=0.26 = （5）、確定各個(gè)截面的安裝角和弦長(zhǎng)。 1）、確定翼型的設(shè)計(jì)升力系數(shù)和最佳攻角 根據(jù)Profili軟件輸入翼型型號(hào)NACA23012,可得到表3-1和圖3-1、圖3-2、圖3-3及圖3-4如下所示 AlfaClCdCl/CdCm-8-0.74510.0241-30.917-0.0119-7.5-0.71440.021-34.019-0.0078-7-0.6790.0194-35-0.0043-6.5-0.63950.0179-35.7263-0.0014-6-0.56740.0167-33.976-0.0049-5.5-0.4920.0154-31.9481-0.009-5-0.42680.0131-32.5802-0.0111-4.5-0.3550.0121-29.3388-0.0145-4-0.27780.0115-24.1565-0.0188-3.5-0.2230.0103-21.6505-0.018-3-0.16880.0099-17.0505-0.017-2.5-0.11760.0093-12.6452-0.0154-2-0.07730.0074-10.4459-0.0128-1.5-0.03150.0067-4.7015-0.0104-10.0170.00652.6154-0.008100.11820.006617.9091-0.00430.50.16770.00723.9571-0.001910.22930.007430.9865-0.00261.50.29270.007937.0506-0.00420.36850.008443.869-0.00832.50.4380.008949.2135-0.011330.51140.009354.9892-0.01543.50.58730.009760.5464-0.019940.65120.0165.12-0.02194.50.69720.010367.6893-0.020350.74210.010769.3551-0.01835.50.78870.01171.7-0.016660.83390.011473.1491-0.01476.50.87790.01273.1583-0.012570.92560.012375.252-0.0117.50.97160.012776.5039-0.009381.01620.013475.8358-0.00758.51.0650.013777.7372-0.006391.110.014477.0833-0.00489.51.15830.014977.7383-0.0038101.20240.015876.1013-0.002310.51.24840.016476.122-0.0011111.28870.017673.22160.000611.51.32790.018870.6330.0025121.36350.020167.83580.004812.51.38820.02263.10.0084131.4110.023759.53590.0122 圖3-1 圖3-3 圖3-2 圖3-4由圖表格可知該翼型的最佳攻角為9.5，設(shè)計(jì)升力系數(shù)為1.1583，阻力系數(shù)為0.0149，最大升阻比為77.7383。 2）、應(yīng)用Glauert方法設(shè)計(jì)a、 、根據(jù)公式 在給定翼型的最佳攻角、升力系數(shù)和不同旋轉(zhuǎn)半徑的周速比系數(shù)的情況下就可以計(jì)算出葉片在不同旋轉(zhuǎn)半徑葉素的弦長(zhǎng)以及其他中間變量、和入流角等。每個(gè)翼型的安裝角可由公式求出。表3-2為根據(jù)各公式計(jì)算出來的各截面弦長(zhǎng)和安裝角以及各個(gè)中間變量的值。 表3-2截面編號(hào)輪轂半徑尖速比葉片半徑攻角升力系數(shù)周速比irhubrriiClii1804.51 80 9.5 1.158 0.258 2804.51 170 9.5 1.158 0.548 3804.51 260 9.5 1.158 0.838 4804.51 350 9.5 1.158 1.128 5804.51 440 9.5 1.158 1.417 6804.51 530 9.5 1.158 1.707 7804.51 620 9.5 1.158 1.997 8804.51 710 9.5 1.158 2.287 9804.51 800 9.5 1.158 2.577 10804.51 890 9.5 1.158 2.867 11804.51 980 9.5 1.158 3.157 12804.51 1070 9.5 1.158 3.447 13804.51 1160 9.5 1.158 3.737 14804.51 1250 9.5 1.158 4.027 15804.51 1340 9.5 1.158 4.317 16804.51 1400 9.5 1.158 4.510 中間變量kheCpClbl/rikihieiCpiClbl/rii1.1310.4393.6260.8280.2519.10150.3661.2140.3981.9511.1560.3996.12540.8621.2800.3741.4921.5180.4744.14333.3681.3290.3611.2981.9040.5152.88327.7141.3660.3531.1982.3030.5392.07923.4691.3940.3481.1412.7120.5531.55220.2381.4160.3441.1053.1280.5631.19417.7311.4330.3421.0813.5470.5690.94315.7441.4470.3401.0643.9700.5740.76114.1381.4590.3391.0524.3950.5770.62612.8191.4690.3381.0434.8210.5800.52411.7171.4770.3371.0375.2490.5820.44410.7851.4840.3371.0315.6780.5830.3819.9881.4900.3361.0276.1080.5850.3309.2981.4950.3361.0246.5390.5860.2898.6951.4980.3361.0226.8260.5860.2658.335c角的弧度阻力系數(shù)升阻比計(jì)入阻力相對(duì)半徑icii*/180CdiCli/CdiCpi()r/R40.866209.5780.879046970.014977.7400.244593470.05714285731.362299.7340.7131764250.014977.7400.3884536580.12142857123.868310.0620.5823747340.014977.7400.4610721560.18571428618.214290.4720.4836935160.014977.7400.4991440230.2513.969263.3210.409606450.014977.7400.5199359750.31428571410.738236.7230.3532258990.014977.7400.5315777330.3785714298.231213.0660.3094607130.014977.7400.5380654370.4428571436.244192.6960.2747797360.014977.7400.5414783950.5071428574.638175.3150.2467613860.014977.7400.5429622210.5714285713.319160.4740.2237297720.014977.7400.5431820750.6357142862.217147.7410.2045052660.014977.7400.5425424960.71.285136.7450.1882413270.014977.7400.5412996770.7642857140.488127.1820.1743185490.014977.7400.5396216880.828571429-0.202118.8070.1622752770.014977.7400.5376222290.892857143-0.805111.4230.1517614810.014977.7400.5353803180.957142857-1.165106.9710.1454662440.014977.7400.5337794761 b、根據(jù)上表可以繪出弦長(zhǎng)和安裝角隨截面半徑變化的曲線圖圖3-5 圖3-6c、由公式計(jì)算出不計(jì)阻力的值，計(jì)算值如表3-2所示。再由公式，（其中）計(jì)算出計(jì)入阻力的值，計(jì)算值如表3-2所示。最后根據(jù)所算數(shù)據(jù)繪出r曲線圖。如圖3-3和圖3-4所示。 圖3-7 圖3-8 （6）、葉片性能計(jì)算。葉片性能計(jì)算主要有三項(xiàng)內(nèi)容：(軸向推力；(轉(zhuǎn)矩和功率；(相對(duì)應(yīng)的推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)和風(fēng)能利用系數(shù)。下面以Wilson設(shè)計(jì)法為基礎(chǔ)討論葉片性能計(jì)算。當(dāng)考慮到葉梢部損失時(shí)，風(fēng)輪半徑r處葉素上的軸向推力、轉(zhuǎn)矩和功率為軸向推力、轉(zhuǎn)矩和功率可由上式積分求得 也可以用系數(shù)形式給出。推力系數(shù)為 轉(zhuǎn)矩系數(shù)為 風(fēng)能利用系數(shù)為 根據(jù)上述公式計(jì)算出各性能系數(shù)的值如表3-3所示。尖速比軸向推力轉(zhuǎn)矩功率推力系數(shù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)風(fēng)能利用系數(shù)rTMPCTCMCP3.519215.33343.0311081.4770.9380.1310.589 （7）、葉片造型。 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：基于點(diǎn)的坐標(biāo)的幾何變換理論求解葉片各截面在空間實(shí)際位置的三維坐標(biāo)，其思路為：翼型上下弦數(shù)據(jù)(x0，y0)翼型以氣動(dòng)中心為原點(diǎn)的二維坐標(biāo)(x1，y1)葉素各離散點(diǎn)空間實(shí)際坐標(biāo)（x，y，z）建立三維坐標(biāo)系，設(shè)葉片根部r=0的葉素平面為XOY平面，葉素上弧離散點(diǎn)坐標(biāo)葉展方向?yàn)閦軸正向；原點(diǎn)設(shè)在r=0的葉素平面的氣動(dòng)中心。葉片輪廓線各離散點(diǎn)坐標(biāo)（x，y，z）。具體求解步驟如下： a、獲取翼型數(shù)據(jù)(x0，y0)，通過profili軟件導(dǎo)出的NACA23012獲得，該軟件提供的翼型數(shù)據(jù)較充足。 b、求解翼型以氣動(dòng)中心為原點(diǎn)、翼型前后緣連線為軸的二維坐標(biāo)（x1，y1）。設(shè)氣動(dòng)中心坐標(biāo)為（x，y）。則：（x1，y1）=（x0，y0）-（x，y）。 c、求解各葉素各離散點(diǎn)空間實(shí)際坐標(biāo)（x，y，z）。 結(jié)合弦長(zhǎng)計(jì)算各葉素坐標(biāo)：（x2，y2）=（x1，y1）C。 結(jié)合旋轉(zhuǎn)葉素得實(shí)際空間坐標(biāo)： 上述坐標(biāo)方程可合并成： 通過上述過程獲得各葉素空間實(shí)際坐標(biāo)（x，y，z），然后通過各種繪圖軟件繪制葉片。本例應(yīng)用AutoCAD軟件建立模型，實(shí)體圖如圖3-7、圖3-8所示。 第四章 總結(jié) 為期兩周半的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了。在這段時(shí)間的學(xué)習(xí)中，我們收獲了很多，也找到了各自身上的不足。這次的課程設(shè)計(jì)，不僅檢驗(yàn)了之前所學(xué)的知識(shí)，也培養(yǎng)了我們?nèi)绾稳ヒ?guī)劃一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設(shè)計(jì)過程中，與同學(xué)分工合作，相互探討、相互學(xué)習(xí)、相互監(jiān)督，我們不僅僅學(xué)會(huì)了協(xié)作，學(xué)會(huì)了寬容，更學(xué)會(huì)了理解。 風(fēng)電作為一個(gè)有富有特色的專業(yè)，風(fēng)力機(jī)組是我們要深入學(xué)習(xí)的，從葉片設(shè)計(jì)的資料收集到葉片弦長(zhǎng)和安裝角的計(jì)算；從葉片葉素的繪制到葉片三維仿真的制作，我們深入地了解到了葉片從計(jì)算到制作的各個(gè)過程，而原本學(xué)到的風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)，也在這次的課程設(shè)計(jì)中得到實(shí)踐。通過這次課程設(shè)計(jì)，讓我們將理論聯(lián)系到實(shí)踐，開始真正地融入新能源這個(gè)行業(yè)。 主要參考文獻(xiàn)1. 風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)理論及方法.趙丹平.北京大學(xué)出版社,2012.2. 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用.范海寬.北京大學(xué)出版社,2013.3.風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué).吳雙群.北京大學(xué)出版社,2009.4. 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行與維護(hù). 葉杭冶.電子工業(yè)出版社,2010.5. 風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)行. 何顯富,盧霞等.化學(xué)工業(yè)出版社,2009.6. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組原理及應(yīng)用(第2版). 姚興佳,宋俊.機(jī)械工業(yè)出版社,2009.7. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì).芮曉明.機(jī)械工業(yè)出版社,2010.8. CAD繪圖的相關(guān)資料及其他風(fēng)力發(fā)電相關(guān)書籍、技術(shù)文章等.