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1、课程：空气动力学2KW风力发电机组 低风速叶片设计与分析姓名：余辉学 号：201580812008指导教师：傅彩明2016年01月05日2KW风力发电机组低风速叶片设计与分析一. 课题研究的背景和意义1941年，美国把蒙特研制的第一台风力发电机开启了风力发电 ；此后，大 型风力涡轮发电机促进了风力发电；如今,世界许多国家都安装了超大型风力发 电机进行风力发电，促进风力发电长远发展。近年来全球的风力发电发展很快， 装机容量的年平均增长率超过了 30%风能是一种技术比较成熟、很有开发利用 前景的可再生能源之一。开发利用风能对世界各国科技工作者具有极强的魅力， 从而唤起了世界众多学者致力于风能利用方
2、面的研究。本文将对风力发电基本原 理和具体2KW风机叶片设计进行论述。目前，全球都面临着能源枯竭、环境恶化、气温升高等问题，日益增长的 能源需求、能源安全问题受到世界各国广泛关注。风能具有可再生、资源广、安 全、清洁、无燃料风险等优势，因此，世界各国都在加快风力发电技术的研究， 以缓解越来越重的能源和环境压力。中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国， 提供电力的能源消费是以煤炭为主，燃煤发电量占总发电量的80%但是，能为人类所用的石化资源是有限的，据第二届环太平洋煤炭会议资料介绍， 若不趁早 调整以石化能源为主体的能源结构， 终将导致有限的石化能源趋于枯竭， 人类生 态环境质量下降的恶性循环，不
3、利于经济、能源、环境的协调发展。二. 风力发电机的设计理论风力发电是通过捕风装置的风轮将风能装换成机械能， 再将机械能转换成电 能的过程，因此构成风轮的翼型的结构性能直接影响着分风能的转换效率。 本章 介绍风力机翼型的几何结构、空气动力学基础概念及基础理论，为下文的叶片分 析设计奠基础。2.1风力机的基本概念（1）风力机的基本概念和参数风轮叶片的几何形状不同，则空气动力特性也不同。为了设计风机，必须对 风机的有关的概念和术语加以理解，例如，风轮、叶片、叶片旋转平面、风轮直 径、叶尖速比等，而翼型外形由翼的前后缘、弦、中弧线、翼的上下表面、叶片 安装角、攻角、来流角、最大厚度及最大相对厚度、弯度
4、与弯度分布等参数决定。（2）叶片空气动力学相关概念风力发电机的叶片是细而长的结构，相对于流动方向的速度分量，其叶展方 向的速度分量通常很小，因此，通常假定在给定径向位置处的流动是二维的， 这 样就可以使用二维翼型数据对叶片的气动性能进行分析。假定翼型处于静止状 态,令空气以相同的速度吹向叶片时，作用在翼型上的空气动力将不改变其大小。 空气动力只取决于相对速度和攻角的大小。由于受翼型表面形状的影响，作用在翼型表面上的空气压力是不均匀的。 翼 型的上表面压力低于周围的气压， 称为吸力面；下表面压力则高于周围气压，称 为压力面。由伯努利理论，翼型的上表面气流速度较高，下表面的气流速度则比 来流低。因
5、此翼型的周围可以看做是两类气流的合成。 第一类是当翼型置于均匀 的气流中，在零升力条件下流过翼型的气流；另一类是围绕翼型的环流，从下表 面流回到上表面。翼型的升力就是由后者产生的。作用于翼型截面上的空气动力可以由升力、 阻力和俯仰力矩来表示。对于迎 角的各个值总有一特殊点，使得空气动力对这一点的力矩为零，称为压力中心（也 称气动中心）。空气动力在翼型截面上的影响可以由单独作用于压力中心点的升 力和阻力来表示。当气流流过翼型时，叶片下表面的压力大于周围空气的压力， 而上表面的压力则要小与周围的空气压力。 因此，在叶尖空气要从下表面流向上 表面，结果在叶稍产生涡旋。在叶片中部的对称面两边的旋涡具有
6、不同的旋转方向，并且在离开叶片后面 不远的地方翻卷长两个孤立的大旋涡。旋涡的不断形成以及叶片运动参数的变 化，他们所需的能量供给必然减少气流对叶片所做的功，所以这些旋涡引起的后果就是使得阻力增加，由此产生的这部分阻力被称为诱导阻力。2.2风力机的基本气动理论风力发电是一门包含流体力学、空气动力学、材料力学、机械加工等各方面 知识的复杂学科，随着对风力发电研究的深入，特别是流体力学和空气动力学的 发展及其在风力发电机设计上的应用，形成了许多关于风力发电机设计的理论， 其中最重要的有贝兹理论、叶素理论和葛劳渥旋涡理论。三. 叶片设计过程3.1设计基础较好的风力机必须具有良好的气动性能，以获得较高的
7、风能利用系数和较大 的经济效益。风力机的气动性能主要表现为叶片的气动性能。 因为叶片的设计对 风力机性能有重大影响。叶片的核心设计包括：计算风轮直径 D,确定叶片数B,选取叶素翼型，计 算各叶素弦长C和安装角B。叶片分析设计流程为：（1）确定风机特征风速及 电机功率P;（2）计算风轮直径D;（3）确定风机尖速比；（4）确定风机叶片 数B;（ 5）选取叶片翼型；（6）确定各叶素弦长C和安装角9;（ 7）计算叶 片性能参数；（8）计算叶片动力学特征。3.2风力机特征风速的确定风速变化大，很难用一种数学模型准确地描述。 对风速描述的方法：以实测 典型风的各种风速的频率曲线为基础， 模拟风速的频率曲线
8、，用概率统计的方法 建立估算风速的数学表达式。世界常用的估算风速的函数有两种：（1）瑞利（Ray leigh）函数分布；（2） 威布尔（Weibull ）函数分布。3.3叶片基本设计方法331风轮直径计算的五个模型（1）模型一对给定的风力机，其风轮直径 D为：Pn3CP Vn8(3-1)式中，Pn 风力机输出功率；Cp 风能利用系数；机械效率；一一空气密度，1.225 kg m3 ；Vn 额定风速；（2）模型二对模型一进行简化得：(3-2)IJY 0.49CP v3D（3）模型三 根据以往实践，对于现代高速风力机风轮直径 D可粗略的估 算为：(3-3)（4）模型四对于大型风力发电机，其风轮直径
9、 D可粗略的估算为:(3-4)Pn 0.12V；模型二、三、四是在一的基础上做的某些简化，相比，模型一计算精度较高（5）模型五轮直径：考虑温度、高度对空气密度的影响，水平轴风力发电机的风DiPn（ 3-5 ）KC Ct total式中，K单位换算系数;C 空气高度密度换算系数，不同海拔高度空气密度的修正系数； G空气温度密度换算系数，不同温度时空气密度的修正系数； total风力机总效率，风力机的总效率一般取total 25%50%；低速风力机取小值，高速风力机取大值；一般设计时高速风力机取30%50%3.3.2 叶片相关设计参数确定(1)尖速比0风轮的尖速比0是风轮的叶尖线速度和设计风速之比
10、。尖速比与风轮效率 密切相关，在风力机没有超速的条件下，运转于高尖速比状态下的风力机具有较 高的风轮效率。尖速比-风能利用系数的影响情况如图3.1所示。从性能曲线可 知，不管叶尖速比高或低，风能利用系数都不是最优，只有在某个中间状态，才 可达到最佳。若风力发电机在整个运行区域内，都可保持在这个最佳叶尖速比状 态，则风能利用效率就是最好的。通常，高速风力机尖速比在68之间时，风力机具有较高的风能利用系数。图3.1尖速比对风能利用系数的影响(2) 叶片数B风轮的叶片数取决于叶片的尖速比0，风力发电的高速风力机一般取 0 5，性能更为优越的三叶片风力机的应用较为广泛。贝茨理论和涡流理论基于无 限叶片
11、数，有限风力机叶片数B对风力机效率存在影响机理做了阐述， 其方法应 用于风力机时，在正常负载情况下，其风能利用系数与风洞试验结果接近。(3) 翼型翼型的选取对风力机的效率十分重要，叶片通常由翼型系列组成。较好的翼 型应该是在某一攻角范围内升力系数 Cl较高，而阻力系数Cd较小；它所适应 的雷诺数与风力机实际运行情况的雷诺数相近；且具有较高的结构强度和良好的 制造工艺性。由于叶片根部各翼型力臂较小，对风力机风轮输出扭矩贡献不大， 所以叶根对风力机性能影响较小，主要考虑加工方便和强度问题。在尖部采用薄 翼型以满足高升阻比的要求；根部采用相同翼型或较大升力系数翼型的较厚形 式，以满足结构强度的需要。
12、翼型数据选取步骤如下：(1) 选取雷诺数R,选取与风力机实际运行时的雷诺数相近的值；(2) 选取最佳攻角及升阻系数，选取相近雷诺数附近的最大升阻比所对应的 角度作为攻角，再由攻角确定升力系数 Cl和阻力系数Cd等特征值。333叶展的葛劳渥(Glauert )设计模型葛劳渥(Glauert )设计模型是考虑了风轮后涡流流动的叶素理论。其设计 模型有两种，一种未引入干扰系数，另一种则引入了干扰系数(1)模型一中间参数计算:kik21rarcta n( o)3R3(3-6)COS ki( R 0) _1k3弦长C:(3-7)dP风能利用系数Cp :dM 4 r33b(1 a)vdr0dP8 0 3c
13、p2 b(1 a) d12 30 R2v30 02(3-9)(3-10)8 (1 k2)1 r1 k2 k4k2 1 BCl安装角 B：arccotk4(3-8)(2)模型二风轮半径r处的叶素对风轮轴功率的贡献量为：求最大风能利用系数， 极值条件为：即求式(3-13)的条件极值，通过运算可得到上式的b 1 3ab 4a 1( 3-11)b 2(1a)(4a 1)这样对应一个入值就可以利用式(3-11 )求得相应的轴向干扰系数a及切向 干扰系数b的值。通过以上各式可得弦长C:2C8 arsin(3-12)(1 a) BCL cos安装角：1 aarcta n()(3-13)(1 b)3.4具体2
14、KW型风机叶片设计341 确定风轮直径D本文选择风轮直径计算模型一，即式（3-1 ）计算风轮直径D:DPn8 200035.721mcp vn8 心5 .83 仁右 73式中，风能利用系数Cp 0.45 ；发电机的机械效率0.83 ；空气密度1.225Kg / m3 ；设计风速vn 7m/s。取风轮直径D 5.7m。3.4.2 确定尖速比0由于通常，高速风力机尖速比在68时，风力机具有较高的风能利用系数， 因此本文选取尖速比63.4.3 确定叶片数B三叶片风机的运行和输出功率较为平稳，目前风机多采用三叶片，因此本文也将采用三叶片B 3。3.4.4 确定翼型本文的翼型选取与翼型基本气动性能计算借助于Profili 软件，Profili 软件是专业进行翼型设计和分析的空气动力学分析设计软件。该软件翼型库量大， 且可根据需要设计新翼型；其气动性分析以专业气动性分析软件XFOIL为基础，可针对不同需要从不同角度对现有翼型进行气动性分析，计算全面且精度高。该软件的应用不仅简化了叶片设计的翼型选取环节，而且提高了翼型外形数据和气 动性能数据的精度，进而提高了叶片设计精度。由于各种翼型具有不同的安装角、升阻比、尖速比和叶片扭曲，因此，各种 翼型的捕获风能的能力，抗弯强度，降噪能力等等各不尽同，而复合叶片可以综 合几种翼型的优点，获得一种综合性能好的叶片。所以本文采用风力发电机专
