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课程设计风力机参考资料

机械与动力工程学院

风力机空气动力学课程设计

设计题目：

小型三叶片风力机叶片设计

设计人：

王伦

班级：

风能1101

组号：

4

指导教师：

姚桂焕

设计时间：

2周

成绩：

日期：

2014.6.23-2014.7.4

设计内容及要求

1．设计目的：

《风力机空气动力学课程设计》是风能与动力工程专业中重要的实践性教学环节。

通过该教学环节，使学生熟练掌握风力机叶片工作原理，并能够通过结合动量叶素理论相关知识与给定的环境条件设计出工作叶片，巩固和提高其风力机叶片设计及制造知识，树立其理论知识指导设计的工作思想，加深其对现场生产实际的了解，培养其对工程技术问题严肃认真、负责的态度，为其以后从事实际工作打下坚实的基础。

2．设计内容和要求：

一、设计内容：

（1）基于叶素和动量理论设计水平轴风力机叶片；

（2）绘制风力机叶片弦长随叶片展向长度的变化曲线；

（3）绘制风力机叶片扭角随叶片展向长度的变化曲线；

（4）绘制设计风力机的

性能曲线；

（5）编写设计说明书，并附上必要的计算公式

（6）分组分别设计出不同翼型的风力机叶片。

2、设计要求：

（1）掌握风力机叶片设计原理；

（2）掌握风力机叶片设计过程；

（3）完成确定风力机叶片的参数；

（4）按时提交课程设计说明书、图纸，按时参加答辩。

3．设计工作任务及工作量的要求

一、对于给定的风力机工作环境以及功率按照NACA给定的参数设计风力机工作叶片

每组同学数据给定情况不同可以采用手算和计算机编程序两种方式进行，在答辩时要提前说明计算方法以及在每种方法中遇到的问题，经教师校验方法正确后方可进行答辩。

二、编制课程设计计算说明书

设计计算说明书中应附上主要计算公式以及适用条件、工作原理、设计方法、系统构成及流程、计算成立条件，字数不少于10000字（至少要8000字），要求条理清晰，逻辑严密，字迹工整。

4．主要参考文献：

风力机空气动力学.MartinO.L.Hansen（著），肖劲松（译）.中国电力出版社，2010

风工程与工业空气动力学.贺德馨.国防工业出版社，2006

风力机设计理论及方法.赵丹平.北京大学出版社,2012

5．所用基础理论：

根据动量理论，描述作用在风轮上的力与来流速度之间的关系。

根据叶素理论，将风轮叶片沿展向分成许多微段，即叶素，并假设在每个叶素上作用的气流相互之间没有干扰，作用在叶片上的力可分解为升力和阻力。

叶素-动量理论，假设各个叶素单元作用相互独立，各个圆环之间没有径向干扰，轴向诱导因子a并不沿着径向方向改变。

6．相关参数的选定：

（1）调速方式：

变桨距

（2）翼型（NACA系列）

（3）叶片数目：

3片

（4）风力机功率：

10kW

（5）设计风速：

10m/s

（6）风轮转速：

160rpm

（7）风能利用系数：

0.45

（8）传动效率：

0.92

（9）发电机效率：

0.95

（10）叶片材料：

碳纤维复合材料

7.常用变量参数声明;

Pu------额定功率

P-------设计计算功率

P∞-----风流经风轮损失功率

D-------风轮直径

L-------叶片长度

B-------叶片数

C-------叶片剖面弦长

σ-----------风轮实度

R-----------风轮半径

r------------叶素距旋转中心的距离

A------------风轮扫过的面积

U1-----------额定风速，来流风速

U2-----------风流过风轮后的下风向风速

α-------------叶素攻角，最佳攻角

Cl-------------升力系数

Cd-------------阻力系数

Φ--------------叶素入流角

β---------------叶素扭角，桨距角

μ---------r/R叶素到旋转中心距离与风轮半径的比值

Cx--------法向力系数

Cy----------切向力系数

Ω----------风轮旋转角速度，额定旋转速度

λ----------叶素旋转速度与主流风速比

λ。

--------叶尖速比

W----------叶素合成流速

σr--------------叶片弦长实度

M--------------叶片转矩

T---------------风轮轴向推力

a---------------轴向诱导因子

b---------------周向诱导因子

第一章风力机发展程

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。

其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×10^9MW，其中可利用的风能为2×10^7MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。

风很早就被人们利用--主要是通过风车来抽水、磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电。

把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。

风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。

依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。

风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。

1.1风力机简介

风力机，将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。

广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。

许多世纪以来，它同水力机械一样，作为动力源替代人力、畜力，对生产力的发展发挥过重要作用。

近代机电动力的广泛应用以及20世纪50年代中东油田的发现，使风力机的发展缓慢下来。

70年代初期，由于“石油危机”，出现了能源紧张的问题，人们认识到常规矿物能源供应的不稳定性和有限性，于是寻求清洁的可再生能源遂成为现代世界的一个重要课题。

风能作为可再生的、无污染的自然能源又重新引起了人们重视。

1.2风力机简史

风车最早出现在波斯，起初是立轴翼板式风车，后又发明了水平轴风车。

风车传入欧洲后，15世纪在欧洲已得到广泛应用。

荷兰、比利时等国为排水建造了功率达66千瓦（90马力）以上的风车。

18世纪末期以来，随着工业技术的发展，风车的结构和性能都有了很大提高，已能采用手控和机械式自控机构改变叶片桨距来调节风轮转速。

风力机用于发电的设想始于1890年丹麦的一项风力发电计划。

到1918年，丹麦已拥有风力发电机120台，额定功率为5～25千瓦不等。

第一次世界大战后，制造飞机螺旋桨的先进技术和近代气体动力学理论为风轮叶片的设计创造了条件，于是出现了现代高速风力机。

1931年，苏联采用螺旋桨式叶片建造了一台大型风力发电机，风速为13.5米/秒时,输出功率达100千瓦,风能利用系数提高到0.32。

在第二次世界大战前后，由于能源需求量大，欧洲一些国家和美国相继建造了一批大型风力发电机。

1941年，美国建造了一台双叶片、风轮直径达53.3米的风力发电机，当风速为13.4米/秒时输出功率达1250千瓦。

英国在50年代建造了三台功率为100千瓦的风力发电机。

其中一台结构颇为独特，它由一个26米高的空心塔和一个直径24.4米的翼尖开孔的风轮组成。

风轮转动时造成的压力差迫使空气从塔底部的通气孔进入塔内，穿过塔中的空气涡轮再从翼尖通气孔溢出。

法国在50年代末到60年代中期相继建造了三台功率分别为1000千瓦和800千瓦的大型风力发电机。

现代的风力机具有增强的抗风暴能力，风轮叶片广泛采用轻质材料，运用近代航空气体动力学成就，使风能利用系数提高到0.45左右，用微处理机控制，使风力机保持在最佳运行状态，发展了风力机阵列系统，风轮结构形式多样化。

法国人在20年代发明的垂直轴风轮在淹没了半个多世纪之后，已成为最有希望的风力机型之一。

这种结构有多种形式，它具有运转速度高、效率高和传动机构简单等优点，但需用辅助装置起动。

人们还提出了许多新的设想，如旋涡集能式风力机，据估计这种系统的单机功率将100～1000倍于常规风力机。

中国利用风车的历史至少不晚于13世纪中叶，曾建造了各种形式的简易风车碾米磨面、提水灌溉和制盐。

直到20世纪50年代仍可见到“走马灯”式风车。

1.3风力机的特点

新一代风力机的特点是：

①增强抗风暴能力；

②风轮叶片广泛采用轻质材料,如玻璃纤维复合材料等；

③运用近代航空气体动力学成就使风能利用系数提高到0.45左右；

④用微处理机控制，使风力机保持在最佳运行状态；

⑤发展风力机阵列系统；

⑥风轮结构形式多样化。

1.4风力机的基本原理

太阳对大气层的不均匀照射和地球表面吸热能力的不同，在大气层中引起冷热空气的强烈对流而形成风。

风的动能与风速的3次方成正比。

用v表示空气速度，用ρ表示质量密度，则单位时间内流过风轮扫掠面积A的空气质量（m）为ρAv，于是空气动能便是。

由于气体的可压缩性，气体质点穿过风轮扫掠面──能量转换界面时,风速由v1降为v2，即v1＞v2。

因自然风速v1只能有一部分被利用，若以风能利用系数Cρ表示利用程度，则可利用风能为，其中Cρ＜1。

根据气体动量理论推导出风能利用系数的最大可能值为0.593，因此风轮输出功率与风轮的工作面积成正比。

Cρ取决于风轮和叶片的结构和工艺。

旧式风车Cρ≈0.10，现代风力机Cρ＝0.3～0.4，最高可达0.5。

另外，现代风力机在能量传输过程中大约还要损失1/3理论上应输出的功。

1.5风力机的构成和分类

风力机的主要部件是风能接收装置。

一般说来，凡在气流中产生不对称力的物理构形都能成为风能接收装置，它以旋转、平移或摆动运动而发出机械功。

各类风能接收装置的取舍取决于使用寿命和成本的综合效益。

风力机大都按风能接收装置的结构形式和空间布置来分类，一般分为水平轴结构和垂直轴结构两类。

以风轮作为风能接收装置的常规风力机，按风轮转轴相对于气流方向的布置分为水平轴风轮式（转轴平行于气流方向）、侧风水平轴风轮式（转轴平行于地面、垂直于气流方向）和垂直轴风轮式（转轴同时垂直于地面和气流方向）。

广义风力机还包括那些利用风力产生平移运动的装置，如风帆船和中国古代的加帆手推车等。

无论何种类型的风力机，都是由风能接收装置、控制机构、传动和支承部件等组成的。

近代风力机还包括发电、蓄能等配套系统。

1.6风力机存在的问题

世界上已有数万台风力机在运行，作为辅助能源正在发挥作用。

但风力机仍存在若干不足之处：

①能量输出不稳定，特别是大型风力机的利用率低，作为独立能源的条件还不具备；②安全可靠性尚无充分保障；③成本在短期内尚不足以与矿物燃料相竞争。

但是，随着人类对能源需求量的日益增多和科学技术的发展，上述问题终会得到解决。

1.7本课题的背景目的及主要工作

我国可开发利用的风能资源为2．53亿kW，新疆、内蒙至东北和东南沿海两大主风带有有效风力时间百分率在70％以上。

可以说，我国开发风能具有良好的自然环境和资源条件。

近几年来，随着我国电网覆盖程度的提高，在各级政府、电力部门和国外政府及金融组织的援助下，我国在新疆、内蒙、广东、福建、辽宁等地区建立了20座风力发电场，总装机容量达302MW，对缓解当地电力供应矛盾，提高供电质量起到了很好的作用。

风力发电场的建设，加速了我国能源结构改革的进程，风能己成为真正的补充能源和发挥规模效益的生力军。

我国风力发电起步较晚，但发展较快。

自80年末引进大型风力发电机以来，经过十多年的不断引进、消化、吸收，积累了一定的经验。

我国并网型风力发电技术在80年代中期开始进行试验、示范，经过二十多年的努力，为今后进行国产化风力发电机组的规模化生产打下了一定的基础，同时也为推动国家风电产业化进程做出了努力。

但遗憾的是，作为世界上的风能大国，我国尚不具备独立开发风力机尤其是大型风力机的能力，迄今为止国内已投入运行的风力机绝大部分是进口风力机。

设计水平是主要制约因素，与此相关的基础研究、实验研究和新技术应用等方面与国外存在着较大的差距，有些领域国内甚至是空白。

尤其是目前主流的大型风力机，我国基本上是依靠从国外引进生产技术来仿制。

这不但受到成本、运输、售前售后等方面的制约，还要消耗大量的资金，而且将使我国对风力机组的研制水平日益落后于国际先进水平，从根本上来说不利于我国风电产业的发展。

更何况从国外引进的风机由于在设计时针对国外的风况和有一些特殊的环保要求，并不能和国内的情况非常吻合，不能很好地达到预期的性能。

因此，必须以提高我国风力机的设计和研究水平为目标来实现“国产化"。

1.8本课程的主要工作：

1.阅读理解“风能转换原理与技术中”叶片设计的相关原理及设计知识，主要是第五章和第六章相关知识。

2.编制叶素轴向、周向速度诱导因子、最佳弦长及扭角的计算的界面程序；

3.根据程序计算并绘制风力机叶片弦长随叶片展向长度的变化曲线；

4.根据程序计算并绘制风力机叶片扭角随叶片展向长度的变化曲线；

第三章风力机叶片设计

一．选定翼型，确定最佳攻角α下的Cl和Cd

1.翼型（定义μ=r/R，其中R为叶片设计半径，r为叶片剖面到旋转中心距离）

（1）叶片根部选用NACA4418标准翼型（μ<0.2）

NACA4418翼型参数：

Calculatedpolarfor:

NACA4418

11ReynoldsnumberfixedMachnumberfixed

xtrf=1.000（top）1.000（bottom）

Mach=0.000Re=1.000e6Ncrit=9.000

alphaCLCDCDpCMTop_XtrBot_Xtr

5.0001.02960.008990.00420-0.09490.40861.0000

5.2501.04840.009140.00432-0.09310.40171.0000

5.5001.06910.009290.00444-0.09170.39561.0000

5.7501.09090.009420.00456-0.09050.38931.0000

6.0001.11000.009620.00472-0.08880.38201.0000

6.2501.13160.009780.00487-0.08760.37571.0000

6.5001.15270.009980.00504-0.08630.36741.0000

6.7501.17350.010220.00524-0.08510.35861.0000

根据以上资料，NACA4418翼型的最佳攻角α=5.75°，此时对应升力系数Cl=1.0909,阻力系数Cd=0.0094

（2）叶片中部选用NACA4415翼型（μ=0.2—0.8）

根据有关资料NACA4415的最佳攻角为5.5°，此时对应的升力系数Cl=1.0575,阻力系数Cd=0.00886

Calculatedpolarfor:

NACA4415

11ReynoldsnumberfixedMachnumberfixed

xtrf=1.000（top）1.000（bottom）

Mach=0.000Re=1.000e6Ncrit=9.000

alphaCLCDCDpCMTop_XtrBot_Xtr

5.5001.05760.008860.00400-0.09270.39361.0000

（3）叶片尖部选用NACA4412翼型（μ>0.8）

Calculatedpolarfor:

NACA4412

11ReynoldsnumberfixedMachnumberfixed

xtrf=1.000（top）1.000（bottom）

Mach=0.000Re=1.000e6Ncrit=9.000

alphaCLCDCDpCMTop_XtrBot_Xtr

4.5000.97340.007580.00284-0.10040.42731.0000

4.7500.99930.007780.00297-0.10010.41101.0000

5.0001.02540.007970.00311-0.09980.39791.0000

5.2501.05180.008130.00326-0.09950.38611.0000

5.5001.07770.008340.00342-0.09920.37311.0000

5.7501.10310.008570.00359-0.09880.35751.0000

6.0001.12800.008840.00379-0.09830.33981.0000

根据以上资料，NACA4412的最佳攻角为5.25°，此时对应的升力系数Cl=1.0518,阻力系数Cd=0.0813

二．设定叶尖速比λ，U∞,Pu,计算U

1.设定叶尖速比：

根据设定参数，可求得λ=ωR/V=6.087

2.设定U∞=10m/s,Pu=10kW

3.计算U:

根据风力机的额定功率计算公式：

Pu=0.125ρ

π

Cpηiηk

计算得：

Dmin=7.272m

根据风轮动量理论，功率关系有以下结论:

U=0.5（U1+U2）------------------------------

P∞=Pu/（Cp*ηi*ηk）-----------------------

在单位时间内，有P∞=0.5ρA（

-

）-------

U1=U∞--------------------------------------------------------④

A=π

/4---------------------------------⑤

将已知设定参数：

U∞=10m/s,Pu=10kW，Cp=0.45，ηi=0.92，

ηk=0.95,ρ=1.225kg/m^3代入以上各式得：

U2=

=5.580m/s

U=7.790m/s

3．计算叶片半径：

R=D/2=3.635

4．计算角速度：

Ω=2πn/60=16.747rad/s

5．将R分为10份，分别取μ=0.1,0.2，···1情况下的a和a’

由于风力机采用变桨距调节，当风速为额定风速U1=10m/s时，控制系统会调节桨距角β，使得叶片处于最佳攻角α=5.75°，此时对应升力系数Cl=1.0631,阻力系数Cd=0.00882

入流角Φ=arctan

r=μR（μ=0.1,0.2,...1.0）

α=Φ-β

计算流程：

1.叶素弦长:

2.假设a,b的初值，一般可取0

3.计算来流角：

Φ=arctan

4.计算各截面扭角：

β=Φ-α

5.根据空气动力特性曲线得到叶素得升力系数Cl和阻力系数Cd;

6.计算法向系数Cx和切向系数Cy

Cx=ClcosΦ+CdsinΦ

Cy=ClsinΦ+CdcosΦ

7.计算新的a和b值：

a=

b=

8.比较新的a和b与上一次的a和b，如果误差小于0.001，则迭代终止；否则回到3继续迭代。

由于需要重复计算，因此用计算机编程计算较为方便。

将以上步骤及公式编写VB程序代码，计算结果如下：

μ=r/R

弦长/m

扭角/°

轴向诱导a

轴向诱导b

0.1

1.1279

33.72

0.2512

0.4947

0.2

0.7567

24.86

0.2082

0.1087

0.3

0.5402

17.33

0.1952

0.0459

0.4

0.4160

12.47

0.1898

0.0251

0.5

0.3370

9.21

0.1869

0.0158

0.6

0.2829

6.94

0.1856

0.0109

0.7

0.2435

5.25

0.1846

0.0079

0.8

0.2136

3.96

0.1840

0.0060

0.9

0.1913

3.20

0.1836

0.0047

1.0

0.1724

2.38

0.1833

0.0038

弦长—μ曲线图：

扭角—μ曲线图：

六．功率校核：

（1）假设a值，计算b值;（以前面的a,b为参考）

（2）将假设值代入公式计算W,SinΦ，cosΦ，Cx,Cy,σ

（3）通过以上值计算a和b

（4）计算值与假设值比较，得到各自的误差，

若误差大于8%，回到

（1）重新假设

（5）计算每个μ下的dM,dP,,,将dP相加得到P

（6）计算P与Pu的误差，若误差大于15%，返回

（1）重新假设

通过代码计算：

风轮叶片尖部的切向诱导速度可表示为：

转矩可表示为：

功率可表示为：

P=

ωM

功率系数为：

校正后计算结果：

μ

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

功率

11554

11551

11190

11028

10938

Cp’

0.52

0.52

0.5

0.5

0.49

μ

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

功率

10897

10865

10846

10833

10823

Cp’

0.49

0.49

0.48

0.48

0.48

七．绘制Cp—λ曲线：

（1）由以上计算确定σ

，R,β设为已知

（2）分别取λ=1—12，在每个λ下假设a的值

（3）通过迭代法求出诱导因子a，b,使得假设值与计算值相差小于0.001

（4）计算此时a值和对应λ值下的对应Cp

（5）通过计算绘制Cp—λ曲线

通过程序输出计算结果：

λ

1

2

3

4

4.5

5

5.5

6

6.5

Cp

0.12

0.23

0.31

0.4

0.43

0.47

0.48

0.5

0.5

λ

7

7.5

8

8.5

9

9.5

10

11

12

Cp

0.5

0.5

0.49

0.48

0.41

0.36

0.33

0.31

0.28

Cp---λ曲线;

8.载荷计算：

叶片主要载荷集中在根部，因此只需对叶片根部载荷进行校核

从叶片根部10%处取圆柱形与轮毂连接的叶根；

NACA4418叶片展向10%处厚度：

H=c×18%=1.1279×18%=0.203m

叶片转动时根部圆最小直径为：

静止时最小直径：

应力：

推力：

转矩：

式中：

查找相关资料，叶片所用材料碳纤维复合材料的许用应力约为：

将许用应力代入应力表达式计算得到：

rm=1.9762

T=1654.631N*m

根部直径：

（D）min=0.0932m

为了确保叶片根部安全：

取叶根圆柱直径d=0.30m

第四章总结