一种理想风机叶片翼型的设计方法

1、第期（总第期）年月机械工程与自动化（）文章编号：一种理想风机叶片翼型的设计方法崔研，闫磊（）华北电力大学机械工程系，河北保定摘要：对理想风机的气动参数进行了设计。通过绘制升阻比曲线和升力系数曲线，对该翼型的弦长、攻角和风轮半径等进行了计算。同时应用与软件分析翼型在不同攻角下的叶背和叶盆曲线上的升力和阻力的变化情况，并通过软件的翼型受力分析功能，对设计出的翼型进行对比分析，验证了设计的准确性。关键词：叶片；翼型；气动参数中图分类号：文献标识码：引言风电叶片是风能转化为电能的第一个环节，它是风力机中最为关键的部件之一，合理而高效的叶片设计是发电效率的最大保障。因此，叶片翼型气动参数的设计是非常重要

2、的。本文利用与软件，以选用对理论为基础，翼型，风电叶片的气动外形参数进行设计与分析。理论主要研究理论研究的是非常理想化的风轮，距风轮颈项处叶素截面产生的气动力和理想叶片的气动参数，没有考虑涡流损失。理论对风况进行了如下假设：风流是均匀的速度流过风轮远；离风轮面后的风速降低为均匀的速度在风轮附；近的速度为定理可知，。由在叶片理论要求的理想状态下，。因此，的提取功率为：·（）。（）其中：为气流质量；为功率系数，为空气密度；·风机的输出功率为：）。（其中：为风轮直径。由于存在其他损失，风机的实际功率要比理想情况小，风能利用系数不可能达到最大。为增强叶片的适用性，此处选取。假设空气

3、密度，输出功率。在理论输出功率为风轮直径为。风机的输出功率与风轮时，直径的关系如图所示。图风机的输出功率与风轮直径的关系叶片数目的确定一台性能良好的风机应当尽量增加升力而减小阻力，从而增大风机的风能利用率。升阻比越大，叶片产生旋转的能力越强。翼型比较适合做小型风机叶片的中部翼型。图为翼型升阻比随攻角的变化曲线。其中，为升力系附近，翼数，为阻力系数。由图可见在攻角°型的升阻比达到了最大值。（；）为风轮半径。对可知在时，求导，可以取到最大值。叶片翼型的设计风轮直径的确定；修回日期：收稿日期：，女，吉林榆树人，在读硕士研究生，研究方向：状态监测与故障诊断。作者简介：崔研（）等：一种理想风机

4、叶片翼型的设计方法年第期崔研，··图为翼型速度三角形关系图。其中，为来流风速，它是叶素旋转产生的旋转气流运动与风速合成的实际速度，、分别为在切向和轴向的分量，为入流角，为升力，为阻力。有如下关系：·。·。其中：为计算点风轮半径。为风轮角速度；利用速度三角形，可计算出叶尖处（叶尖速比：）。图为不同叶尖速比下的攻角与风轮半径的关系曲线。图为翼型攻角与升力系数当攻角时，翼型的的关系曲线。由图可知，°升力系数。（）时，计算得到°。在现代风机中，风机的叶尖速比都大于，其目的是使设计点的升力系数在最佳升阻比处。表为叶尖速比与叶片数的匹配关系。图不

5、同叶尖速比下的攻角与风轮半径关系曲线图翼型攻角与升力系数关系曲线图翼型升阻比随攻角的变化曲线根据叶素理论，在叶片的每个微段上，它的提取功率可以表示为：）。（某一微段上的气动力的切向分量为：·（）。（）（其中：为该截面翼型的弦长。）图翼型速度三角形关系图表叶尖速比与叶片数的匹配关系设计的过程中，当取最大升力时，往往可以近似地所以气动力的切向分量可以简化为：忽略阻力，（）。·）（则叶片该微段的功率可以表示为：）·。（·其中：为叶片数。综合以上公式得到：（。（）·翼型外形参数的确定叶片翼型的外形直接影响气动性能，翼型外形参数主要包括弦长、攻角、入流角

6、、桨距角、厚度以及其他基本数据等。本文设计风轮展向（处的翼型参数。）入流角安装角和角速度的计算公式如下：、·）。·）。图为时风轮半径与弦长的关系。由图可知，在叶尖速比一定的情况下，叶片的弦长随着叶片半径的增大而变小，距离叶根越近，弦长需要更长，以保证叶根的强度和承受能力。··机械工程与自动化年第期计算结果分析验证经过以上计算，得到了翼型主要气动参数，见表。设计，并通过对设计出的翼型进行分析，软件，验证了设计的准确性。图风轮半径与弦长的关系表主要气动参数（）（弦长）攻角（°叶尖速比（）安装角°升力系数风轮半径（）图相同翼型在不同下受力分

7、布参考文献：风力发电技术西安：西北工业大廖明夫，学出版社，柳亦兵风力发电机组设计北京：机械工业芮晓明，出版社，李仁年，杨从新雷诺数对风力机专用翼型气动李德顺，（）：流体机械，性能影响的研究，任腊春风力机叶片外形设计及三维实体建模研张礼达，（）：究太阳能学报，曾琴琴风力机叶片设计与建模机械制造，田会方，（）：梁武科，金雪红厚度对风力机翼型启动特性的影李常，（）：响流体机械，动态分析的翼型受力分析功能，利用翼型在不同攻角下所受升力的分布情况，如图所示。由图可知，随着攻角的变大，叶背受力逐渐变叶盆受力逐渐减小，升力逐渐增大，这驱动了叶片大，顺时针方向的旋转，当达到设计值时，升力将达°到一个较大的数值，验证了攻角选择正确。结论本文在特定风况下，对翼型理想气动参数进行了，（，），：，：