级风能空气动力学课程设计指导书1

1、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： 风力机叶片气动设计 设 计 人：曹栋波班 级： 风能1201 组 号：8指导教师： 姚桂焕 设计时间： 2周 成 绩：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： （

2、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配置的风力机叶片。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

3、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. Martin O.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, 20125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

4、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：失速（2）翼型 （例如：NACA系列、NASA LS系列、NREL S系列）（3）叶片数目：3片（4）风力机功率：P=33kW (648 kW)（5）来流风速：V=10m/s（612 m/s）（6）叶尖速比=8 （79）（7）风能利用系数：0.43（8）传动效率：0.92（9）发电机效率：0.95（10）

5、叶片材料：玻璃纤维复合材料7风力机叶片的外形设计计算1.确定风轮直径D 由于P=，所以风轮直径D=，风轮半径R= 2.确定风轮转速 3.计算雷诺数 在，压强为标准大气压101.325kPa时，空气的动力粘度 在AirfoilTools网站上选择雷诺数1000000时的图像来确定最佳升阻比时对应的升力系数和阻力系数。 4.根据在叶根处选择相对较厚的翼型以承受叶片运行时的应力，并且能实现向叶根处的圆形断面光滑过度；叶尖选用相对较薄的翼型以满足叶片的气动性能要求。将叶片分成16个断面：从叶片展向20%到95%，间隔5%来取。 在叶片展向20%、25%、30%、和35%处选择剖面，并选择翼型为NACA

6、4421； 在叶片展向40%、45%、50%和55%处选择剖面，并选择翼型为NACA4418； 在叶片展向60%、65%、70%和75%处选择剖面，并选择翼型为NACA4418； 在叶片展向80%、85%、90%和95%处选择剖面，并选择翼型为FX 60-160； 5.计算各剖面处的叶尖速比： 计算结果见表格1 6.在Airfoil Tools网站，查看各个翼型在最大升阻比时对应的升力系数和阻力系数： 由左侧的图查得XXXX在最佳升阻比时，攻角时，升力系数，阻力系数，最大升力系数；由右侧的图查得XXXX在最佳升阻比时，攻角，升力系数，阻力系数，最大升力系数。 由左侧的图查得XXXX在最佳升阻比

7、时，攻角时，升力系数，阻力系数，最大升力系数；由右侧的图查得XXXX在最佳升阻比时，攻角，升力系数，阻力系数，最大升力系数。 7.计算四个剖面的弦长各翼型断面弦长计算式为：式中为不同半径对应的形状参数，为最大升力系数。将带入，得计算结果见表格18.计算各界面处的扭角由左图可知，在各界面处的的扭角：其中为各界面处的入流角，为翼型的攻角。i为各剖面沿弦长展向位置的百分比。根据相关关系式就可以通过迭代方法求得轴向诱导因子a和周向诱导因子b，迭代步骤如下：（1）假设a和b的初值，一般可取0（2）计算入流角； （3）计算迎角（4）根据翼型空气动力特性曲线得到叶素的升力系数 和阻力系数（5）计算叶素的法向

8、力系数和切向力系数（6）计算a和b的新值其中，F为普朗特叶尖损失修正因子，。（7）比较新计算的a和b值与上一次的a和b值，如果误差小于设定的误差值（一般可取0.001），则迭代终止;否则，再回到步骤（2）继续迭代。 计算示例： （1）假设a和b的初值，a=0,b=0； （2）计算入流角； （3）计算迎角； （4）根据翼型空气动力特性曲线得到叶素的升力系数和阻力系数； （5）计算叶素的法向力系数和切向力系数 （6）计算a和b的新值 （7）比较新计算的a和b值与上一次的a和b值 所以取，再回到步骤（2）继续迭代。 重复以上步骤，直到均小于0.1%,则可确定入流角，与此时的诱导因子a和b。由于需要迭

9、代计算次数较多，采用计算程序进行计算（见附录），计算结果汇总于表格1。 9. 计算CC和C 10.校验 因为<8%,所以校验合格。 11.计算P、T和Q M= 12.计算叶片根部直径此处取 叶片根部选择高强度纤维T=300,拉伸强度为3.53GPa，= 所以， 取d=8、成绩组成及考核标准：课程设计成绩评定采用优秀、良好、中等、及格和不及格五级分制记分，成绩包括平时答疑成绩、设计计算说明书成绩和答辩成绩三部分，其中平时答疑占20分，设计计算说明书成绩占40分，答辩成绩占40分。总分数为90100分的课程设计成绩为“优”，总分数为8089分的课程设计成绩为“良”，总分数为7079分的课程设

10、计成绩为“中”，总分数为6069分的课程设计成绩为“及格”，总分数为059分的课程设计成绩为“不及格”。成绩优秀的比例一般不超过答辩人数的20%。出现以下情况中的任一项，课程设计成绩直接为“不及格”：（1） 不提交设计计算说明书；（2） 无故不参加课程设计答辩；（3） 设计内容与任务书的要求不符。设计流程图一a误差<8%b误差<8%a误差>8%b误差>8%P误差<8%P误差>8%通过以上值求出a和b的计算值将a计算值和b计算值与a假设值和b假设值进行比较，得到各自的误差a误差和a误差计算每个下的dM、dP，并将所有dP相加得到P计算P与Pu的误差由sin求出

11、不同下的值，已知最佳攻角由=-求的不同下的值，画出与的曲线由公式求出不同下弦长c的值，画出c与的曲线步骤1：步骤2：步骤3：步骤11：步骤10：步骤9：步骤8：步骤4：步骤5：步骤14：步骤12：“、：将R分为10分，分别求取=0,1、0.2······0.9、1情况下的a和b选定翼型，确定最佳迎角下的Cl和Cd设定叶尖速比，V，Pu， 计算V计算叶片半径R计算角速度假设a的值，求出 b的值步骤6：步骤13：将假设值代入公式分别求得W、sin、cos，Cx、Cy、 步骤7：接步骤8 流程图二：以流程图一为基础，绘制Cp和的关系曲线步骤1：步骤4：步骤2：步骤7：a误差>8%b误差>8%a误差<8%b误差<8%将a计算值和b计算值与a假