風力機葉片的設計

風電機組設計 第三組第三組 (一) 設計理論 (二) 相關參數(shù)確定 (三) 葉片的設計過程 (四) 總結 (五) 主要參考文獻 （一）設計理論 葉素理論的基本出發(fā)點是將風輪葉片沿展向分成許多微段，稱這些微段為葉素。假設在每個葉素上的流動相互之間沒有干擾，即葉素可以看成是二維翼型，這時，將作用在每個葉素的力和力矩沿展向積分，就可以求得作用在風輪上的力和力矩。 對每個葉素來說，其速度可以分解為垂直于風輪旋轉平面的分量0yV和平行風輪旋轉平面的分量0yV，速度三角形和空氣動力分量如圖 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0V引起的作用在長度為 dr 葉素上的空氣動力daF可以分解為法向力ndF和切向力tdF，daF和tdF可分別表示為 2012nndFcV C dr （2-1） 2012ttdFcV C dr 其中 空氣密度；c葉素剖面弦長； ；e、q分別表示法向力系數(shù)和切向力系數(shù)，即 ncossinldCCC （2-2） sincostldCCC 這時，作用在風輪平面 dr 圓環(huán)上的軸向力可表示為 201cv2ndTBC dr （2-3） 式中 B-葉片數(shù)。 作用在風輪平面 dr 圓環(huán)上的轉矩為 201cv2tdMBC rdr （2-4） 葉素理論 葉素理論的基本出發(fā)點是將風輪葉片沿展向分成許多微段，稱這些微段為葉素。假設在每個葉素上的流動相互之間沒有干擾，即葉素可以看成是二維翼型，這時，將作用在每個葉素的力和力矩沿展向積分，就可以求得作用在風輪上的力和力矩。 （二）相關參數(shù)確定 （1）計算風輪直徑。計算風輪直徑。利用公式 D=31128/upP CU =38 5001.225 3.14 7.80.4 0.72 =2.8m 則風輪半徑 R=1.4mm。 （三）葉片的設計過程（三）葉片的設計過程 bL=R-rhub=1400-80=1320mm ( (2 2) )計算葉片長度。計算葉片長度。假設輪轂半徑為80mm，那么葉片長度bL為 ( (3 3) )等分葉片。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個截面段分為90mm，這樣，最后一個截面段為60mm。 計算各截面周速比。計算各截面周速比。首先計算出額定葉尖速比r r=1/(30)n RU =240 3.14 1.430 7.8 =4,51 (4)計算各截面的周速比 0=r0rR=4.51801400=0.26 1=r1rR=1704.510.551400 22260=4.510.841400rrR 33350=4.511.131400rrR 444404.511.421400rrR 555304.511.711400rrR 66r6204.512.001400rR 777104.512.291400rrR 888004.512.581400rrR 998904.512.871400rrR 10109804.513.161400rrR 111110704.513.451400rrR 121211604.513.741400rrR 131312504.514.031400rrR 141413404.514.321400rrR 51514004.514.511400rrR （5） 、確定各個截面的安裝角和弦長。確定各個截面的安裝角和弦長。 1）、確定翼型的設計升力系數(shù)和最佳攻角 2）、應用Glauert方法設計 Alfa Cl Cd Cl/Cd Cm -8 -0.7451 0.0241 -30.917 -0.0119 -7.5 -0.7144 0.021 -34.019 -0.0078 -7 -0.679 0.0194 -35 -0.0043 -6.5 -0.6395 0.0179 -35.7263 -0.0014 -6 -0.5674 0.0167 -33.976 -0.0049 -5.5 -0.492 0.0154 -31.9481 -0.009 -5 -0.4268 0.0131 -32.5802 -0.0111 -4.5 -0.355 0.0121 -29.3388 -0.0145 -4 -0.2778 0.0115 -24.1565 -0.0188 -3.5 -0.223 0.0103 -21.6505 -0.018 -3 -0.1688 0.0099 -17.0505 -0.017 -2.5 -0.1176 0.0093 -12.6452 -0.0154 -2 -0.0773 0.0074 -10.4459 -0.0128 -1.5 -0.0315 0.0067 -4.7015 -0.0104 -1 0.017 0.0065 2.6154 -0.0081 0 0.1182 0.0066 17.9091 -0.0043 0.5 0.1677 0.007 23.9571 -0.0019 1 0.2293 0.0074 30.9865 -0.0026 1.5 0.2927 0.0079 37.0506 -0.004 2 0.3685 0.0084 43.869 -0.0083 2.5 0.438 0.0089 49.2135 -0.0113 3 0.5114 0.0093 54.9892 -0.0154 3.5 0.5873 0.0097 60.5464 -0.0199 4 0.6512 0.01 65.12 -0.0219 4.5 0.6972 0.0103 67.6893 -0.0203 5 0.7421 0.0107 69.3551 -0.0183 5.5 0.7887 0.011 71.7 -0.0166 6 0.8339 0.0114 73.1491 -0.0147 6.5 0.8779 0.012 73.1583 -0.0125 7 0.9256 0.0123 75.252 -0.011 7.5 0.9716 0.0127 76.5039 -0.0093 8 1.0162 0.0134 75.8358 -0.0075 8.5 1.065 0.0137 77.7372 -0.0063 由表格可知該翼型的最佳攻角為9.5，設計升力系數(shù)為1.1583，阻力系數(shù)為0.0149，最大升阻比為77.7383 根據(jù)Profili軟件輸入翼型型號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 1）、確定翼型的設計升力系數(shù)和最佳攻角 圖3-1 圖3-2 圖3-3 圖3-4 截面編號截面編號 輪轂半徑輪轂半徑 尖速比尖速比 葉片半徑葉片半徑 攻角攻角 升力系數(shù)升力系數(shù) 周速比周速比 i i r rhubhub r r r ri i i i ClCli i i i 1 1 8080 4.51 4.51 80 80 9.5 9.5 1.158 1.158 0.258 0.258 2 2 8080 4.51 4.51 170 170 9.5 9.5 1.158 1.158 0.548 0.548 3 3 8080 4.51 4.51 260 260 9.5 9.5 1.158 1.158 0.838 0.838 4 4 8080 4.51 4.51 350 350 9.5 9.5 1.158 1.158 1.128 1.128 5 5 8080 4 4.51 .51 440 440 9.5 9.5 1.158 1.158 1.417 1.417 6 6 8080 4.51 4.51 530 530 9.5 9.5 1.158 1.158 1.707 1.707 7 7 8080 4.51 4.51 620 620 9.5 9.5 1.158 1.158 1.997 1.997 8 8 8080 4.51 4.51 710 710 9.5 9.5 1.158 1.158 2.287 2.287 9 9 8080 4.51 4.51 800 800 9.5 9.5 1.158 1.158 2.577 2.577 1010 8080 4.51 4.51 890 890 9.5 9.5 1.158 1.158 2.867 2.867 1111 8080 4.51 4.51 980 980 9.5 9.5 1.158 1.158 3.157 3.157 1212 8080 4.4.51 51 1070 1070 9.5 9.5 1.158 1.158 3.447 3.447 1313 8080 4.51 4.51 1160 1160 9.5 9.5 1.158 1.158 3.737 3.737 1414 8080 4.51 4.51 1250 1250 9.5 9.5 1.158 1.158 4.027 4.027 1515 8080 4.51 4.51 1340 1340 9.5 9.5 1.158 1.158 4.317 4.317 1616 8080 4.51 4.51 1400 1400 9.5 9.5 1.158 1.158 4.510 4.510 中間變量中間變量 k k h h e e CpCp Clbl/rClbl/r i i k ki i h hi i e ei i CpCpi i Clbl/rClbl/ri i i i 1.131 1.131 0.439 0.439 3.626 3.626 0.828 0.828 0.251 0.251 9.101 9.101 50.366 50.366 1.214 1.214 0.398 0.398 1.951 1.951 1.156 1.156 0.399 0.399 6.125 6.125 40.862 40.862 1.280 1.280 0.374 0.374 1.492 1.492 1.518 1.518 0.474 0.474 4.143 4.143 33.368 33.368 1.329 1.329 0.361 0.361 1.298 1.298 1.904 1.904 0.515 0.515 2.883 2.883 27.714 27.714 1.366 1.366 0.353 0.353 1.198 1.198 2.303 2.303 0.539 0.539 2.079 2.079 23.469 23.469 1.394 1.394 0.348 0.348 1.141 1.141 2.712 2.712 0.553 0.553 1.552 1.552 20.238 20.238 1.416 1.416 0.344 0.344 1.105 1.105 3.128 3.128 0.563 0.563 1.194 1.194 17.731 17.731 1.433 1.433 0.342 0.342 1.081 1.081 3.547 3.547 0.569 0.569 0.943 0.943 15.744 15.744 1.447 1.447 0.340 0.340 1.064 1.064 3.970 3.970 0.574 0.574 0.761 0.761 14.138 14.138 1.459 1.459 0.339 0.339 1.052 1.052 4.395 4.395 0.577 0.577 0.626 0.626 12.819 12.819 1.469 1.469 0.338 0.338 1.043 1.043 4.821 4.821 0.580 0.580 0.524 0.524 11.717 11.717 1.477 1.477 0.337 0.337 1.037 1.037 5.249 5.249 0.582 0.582 0.444 0.444 10.785 10.785 1.484 1.484 0.337 0.337 1.031 1.031 5.678 5.678 0.583 0.583 0.381 0.381 9.988 9.988 1.490 1.490 0.336 0.336 1.027 1.027 6.108 6.108 0.585 0.585 0.330 0.330 9.298 9.298 1.1.495 495 0.336 0.336 1.024 1.024 6.539 6.539 0.586 0.586 0.289 0.289 8.695 8.695 1.498 1.498 0.336 0.336 1.022 1.022 6.826 6.826 0.586 0.586 0.265 0.265 8.335 8.335 2）、應用Glauert方法設計 c c 角的弧度角的弧度 阻力系阻力系數(shù)數(shù) 升阻比升阻比 計入阻力計入阻力 相對半徑 i i c ci i i i* * /180/180 CdiCdi Cli/CdiCli/Cdi Cpi(Cpi( ) ) r/R 40.866 40.866 209.578 209.578 0.879046970.87904697 0.01490.0149 77.740 77.740 0.244593470.24459347 0.057142857 31.362 31.362 299.734 299.734 0.7130.713176425176425 0.01490.0149 77.740 77.740 0.3884536580.388453658 0.121428571 23.868 23.868 310.062 310.062 0.5823747340.582374734 0.01490.0149 77.740 77.740 0.4610721560.461072156 0.185714286 18.214 18.214 290.472 290.472 0.4836935160.483693516 0.01490.0149 77.740 77.740 0.4991440230.499144023 0.25 13.969 13.969 263.321 263.321 0.409606450.40960645 0.01490.0149 77.740 77.740 0.5199359750.519935975 0.314285714 10.738 10.738 236.723 236.723 0.3532258990.353225899 0.01490.0149 77.740 77.740 0.5315777330.531577733 0.378571429 8.231 8.231 213.066 213.066 0.3094607130.309460713 0.01490.0149 77.740 77.740 0.5380654370.538065437 0.442857143 6.244 6.244 192.696 192.696 0.2747797360.274779736 0.01490.0149 77.740 77.740 0.5414783950.541478395 0.507142857 4.638 4.638 175.315 175.315 0.2467613860.246761386 0.01490.0149 77.740 77.740 0.5429622210.542962221 0.571428571 3.319 3.319 160.474 160.474 0.2237297720.223729772 0.01490.0149 77.740 77.740 0.5431820750.543182075 0.635714286 2.217 2.217 147.741 147.741 0.2045052660.204505266 0.01490.0149 77.740 77.740 0.5425424960.542542496 0.7 1.285 1.285 136.745 136.745 0.1882413270.188241327 0.01490.0149 77.740 77.740 0.5412996770.541299677 0.764285714 0.488 0.488 127.182 127.182 0.1743185490.174318549 0.01490.0149 77.740 77.740 0.5396210.539621688688 0.828571429 - -0.202 0.202 118.807 118.807 0.1622752770.162275277 0.01490.0149 77.740 77.740 0.5376222290.537622229 0.892857143 - -0.805 0.805 111.423 111.423 0.1517614810.151761481 0.01490.0149 77.740 77.740 0.5353803180.535380318 0.957142857 - -1.165 1.165 106.971 106.971 0.1454662440.145466244 0.01490.0149 77.740 77.740 0.5337794760.533779476 1 b.根據(jù)上表可以繪出弦長和安裝角隨截面半徑變化的曲線圖 圖3-5 圖3-6 圖3-7 圖3-8 c、由公式1111ipiiiikCk 計算出不計阻力的pC值，計算值如表 3-2 所示。再由公式2111tancot11tantaniiiipiiiikkCh， （其中tanldCC ）計算出計入阻力的pC值，計算值如表 3-2 所示。最后根據(jù)所算數(shù)據(jù)繪出pCr 曲線圖。如圖 3-7 和圖 3-8 所示。 （6）、葉片性能計算。 葉片性能計算主要有三項內(nèi)容：(軸向推力；(轉矩和功率；(相對應的推力系數(shù)、轉矩系數(shù)和風能利用系數(shù)。下面以Wilson設計法為基礎討論葉片性能計算。當考慮到葉梢部損失時，風輪半徑r處葉素上的軸向推力、轉矩和功率為 軸向推力、轉矩和功率可由上式積分求得 000d ,d,drrrTT MM PP 也可以用系數(shù)形式給出。 推力系數(shù)TC為 020220181-a1V2TTCaF dR 轉矩系數(shù)MC為 0330320181-a1V2MMCbFdR風能利用系數(shù)PC為 03020081-aPMCCbFd 根據(jù)上述公式計算出各性能系數(shù)的值如表3-3所示。 尖速比尖速比 軸向推力軸向推力 轉矩轉矩 功率功率 推力系數(shù)推力系數(shù) 轉矩系數(shù)轉矩系數(shù) 風能利用系數(shù)風能利用系數(shù) r r T T M M P P C CT C CM C CP 3.5193.519 215.333 43.031 1081.477 0.938 0.131 0.589 （7）、葉片造型。 坐標轉換：坐標轉換：基于點的坐標的幾何變換理論求解葉片各截面在空間實際位置的三維坐標，其思路為：翼型上下弦數(shù)據(jù)(x0，y0)翼型以氣動中心為原點的二維坐標(x1，y1)葉素各離散點空間實際坐標（x，y，z）建立三維坐標系，設葉片根部 r=0的葉素平面為 XOY 平面，葉素上弧離散點坐標葉展方向為 z 軸正向；原點設在 r=0 的葉素平面的氣動中心。葉片輪廓線各離散點坐標（x，y，z） 。 具體求解步驟如下：具體求解步驟如下： a、獲取翼型數(shù)據(jù)、獲取翼型數(shù)據(jù)(x0，y0)，通過，通過profili軟件導出的軟件導出的NACA23012獲得，該軟件提獲得，該軟件提供的翼型數(shù)據(jù)較充足。供的翼型數(shù)據(jù)較充足。 b、求解翼型以氣動中心為原點、翼型前后緣連線為軸的二維坐標（、求解翼型以氣動中心為原點、翼型前后緣連線為軸的二維坐標（x1，y1）。）。設氣動中心坐標為（設氣動中心坐標為（x，y）。則：（）。則：（x1，y1）=（x0，y0）-（x，y）。）。 c、求解各葉素各離散點空間實際坐標（、求解各葉素各離散點空間實際坐標（x，y，z）。）。 （四）總結 為期兩周半的課程設計結束了。在這段時間的學習中，我們?yōu)槠趦芍馨氲恼n程設計結束了。在這段時間的學習中，我們收獲了很多，也找到了各自身上的不足。這次的課程設計，不僅收獲了很多，也找到了各自身上的不足。這次的課程設計，不僅檢驗了之前所學的知識，也培養(yǎng)了我們?nèi)绾稳ヒ?guī)劃一件事情，如檢驗了之前所學的知識，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。在設計過程中，與同學何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設計過程中，與同學分工合作，相互探討、相互學習、相互監(jiān)督，我們不僅僅學會了分工合作，相互探討、相互學習、相互監(jiān)督，我們不僅僅學會了協(xié)作，學會了寬容，更學會了理解。協(xié)作，學會了寬容，更學會了理解。 風電作為一個有富有特色風電作為一個有富有特色的專業(yè)，風力機組是我們要深入學習的，從葉片設計的資料收集的專業(yè)，風力機組是我們要深入學習的，從葉片設計的資料收集到葉片弦長和安裝角的計算；從葉片葉素的繪制到葉片三維仿真到葉片弦長和安裝角的計算；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算到制作的各個過程，而的制作，我們深入地了解到了葉片從計算到制作的各個過程，而原本學到的風力機空氣動力學知識，也在這次的課程設計中得到原本學到的風力機空氣動力學知識，也在這次的課程設計中得到實踐。通過這次課程設計，讓我們將理論聯(lián)系到實踐，開始真正實踐。通過這次課程設計，讓我們將理論聯(lián)系到實踐，開始真正地融入新能源這個行業(yè)。地融入新能源這個行業(yè)。 （五）主要參考文獻（五）主要參考文獻 1. 風力機設計理論及方法風力機設計理論及方法.趙丹平趙丹平.北京大學出版社北京大學出版社,2012. 2. 風力發(fā)電技術及應用風力發(fā)電技術及應用.范海寬范海寬.北京大學出版社北京大學出版社,2013. 3.風力機空氣動力學風力機空氣動力學.吳雙群吳雙群.北京大學出版社北京大學出版社,2009. 4. 風力發(fā)電系統(tǒng)的設計、運行與維護風力發(fā)電系統(tǒng)的設計、運行與維護. 葉杭冶葉杭冶.電子工業(yè)出版電子工業(yè)出版社社,2010. 5. 風力機設計、制造與運行風力機設計、制造與運行. 何顯富何顯富,盧霞等盧霞等.化學工業(yè)出版化學工業(yè)出版社社,2009. 6. 風力發(fā)電機組原理及應用風力發(fā)電機組原理及應用(第第2版版). 姚興佳姚興佳,宋俊宋俊.機械工業(yè)出版機械工業(yè)出版社社,2009. 7. 風力發(fā)電機組設計風力發(fā)電機組設計.芮曉明芮曉明.機械工業(yè)出版社機械工業(yè)出版社,2010. 8. CAD繪圖的相關資料及其他風力發(fā)電相關書籍、技術文章等繪圖的相關資料及其他風力發(fā)電相關書籍、技術文章等.