寧強12級風能空氣動力學課程設計指導書

1、機 械 與 動 力 工 程 學 院風力機空氣動力學課程設計 設計題目： 風力機葉片氣動設計 設 計 人： 寧強 班 級： 風能1201 組 號： 3 指導教師： 姚桂煥 設計時間： 2周 成 績： 日期：2015.6.29-2015.7.12 0 / 25 引言 風輪是風力機最重要的部件，它是風力機區(qū)別于其它動力機的主要標志。其作用是捕捉和吸收風能，并將風能轉換成機械能，由風輪軸將能量送給傳動裝置。風輪一般由2-3個葉片、輪轂和風輪軸組成。葉片是風力機重要的能量轉換部件，其設計和制造直接影響風力機發(fā)電機組的高效安全運行。風力機的運行效率直接與葉片的空氣動力設計有關，包括葉片長度、翼型、沿縱向翼

2、型的分布和安裝角。葉片的寬度和長度由設計要求的氣動特性能、最大葉輪功率和假定的翼型性能及強度因素決定。風力機葉片利用翼型產生機械能。風力機葉片的橫截面外形是翼型。翼型空氣特性的好壞直接影響風力機的性能，翼型的形狀也影響葉片的主題結構形式。在風力機葉片的翼型參數(shù)的設計過程中，各個參數(shù)的變化都會對其他參數(shù)的設計產生影響。在設計中本著能夠使單位葉素有最大的功率利用系數(shù)的原則，來選擇翼型參數(shù)。    在20世紀七八十年代的風力機設計過程中，很多風力機直接采用了NACA系列中的航空翼型。但風力機的工作條件和飛機有較大的區(qū)別，一方面風力機葉片工作時，其攻角變化范圍大

3、；另一方面風力機葉片設計要考慮低雷諾數(shù)的影響，風力機和飛機工作的雷諾數(shù)范圍有所不同，其影響將就不完全一樣，過去在小型風力機設計中考慮雷諾數(shù)較少而是直接選用，以翼弦為特征長度的雷諾數(shù)在風輪徑向方向是變化的，在大型葉片設計中必須給以考慮。    設計實踐表明，使用航空翼型雖然可以得到很高的升阻比，但是在低雷諾數(shù)的環(huán)境下，航空翼型容易發(fā)生泡式分離，從而使升阻比特性惡化。另外，航空翼型對于表面粗糙度比較敏感，在翼型幾何形狀由于灰塵、結冰等原因發(fā)生變化時，翼型的氣動特性往往也會迅速惡化，從而不適于直接作為風力機葉片翼型使用。   &#

4、160;因此，選擇翼型常根據(jù)以下原則：對于低速風輪，由于葉片數(shù)較多，不需要特殊翼型升阻比；對與高速風輪，葉片數(shù)較少，應選擇在很寬的風速范圍內具有較高的升阻比和平穩(wěn)的失速特性的翼型，對于粗糙度不敏感，以便獲得較高的功率系數(shù)；另外要求翼型的氣動噪聲低。    風輪的轉速隨風速的增大而變快，而轉速超過設計允許值后，將可能導致機組的毀壞或壽命的減少，而有了調速（限速）機構，即使風速很大，風輪的轉速仍能維持在一個較穩(wěn)定的范圍之內，防止超速乃至飛車的發(fā)生。風力機的調速（限速）機構大體上有3種基本方式。1、定槳距失速調節(jié)型    

5、;定槳距是指槳葉與輪轂的連接是固定的，槳距角固定不變，即當風速變化時，槳葉的迎風角度不能隨之變化。失速型是指槳葉翼型本身所具有的失速特性，當風速高于額定風速，氣流的攻角增大到失速條件，使槳葉的表面產生渦流，效率降低，來限制發(fā)電機的功率輸出。為了提高風電機組在低風速時的效率，通常采用雙速發(fā)電機（即大/小發(fā)電機）。在低風速段運行的，采用小電機使槳葉具有較高的氣動功率，提高發(fā)電機的運行效率。    失速調節(jié)型的優(yōu)點是失速調節(jié)簡單可靠，當風速變化引起的輸出功率的變化只通槳葉的被動失速調節(jié)而控制系統(tǒng)不作任何控制，使控制系統(tǒng)大為簡化。2.變槳距調節(jié)型 &#

6、160;  變槳距是指安裝在輪轂上的葉片通過控制改變其槳距角的大小。當發(fā)電機輸出功率達到額定功率以后，調節(jié)系統(tǒng)根據(jù)輸出功率的變化調整槳距角的大小，使發(fā)電機的輸出功率保持在額定功率。當風速超過額定風速范圍時，通過增大葉片槳距角，使得其攻角減小，以改變葉片升力與阻力的比例，達到限制風輪功率的目的。槳距角調節(jié)的優(yōu)點是槳葉受力較小，槳葉做的較為輕巧。槳距角可以隨風速的大小而進行自動調節(jié)，因而能夠盡可能多的吸收風能轉化為電能，同時在高風速段保持功率平穩(wěn)輸出。缺點是結構比較復雜，故障率相對較高。3.主動失速調節(jié)型    將定槳距失速調節(jié)型與變槳距

7、調節(jié)型兩種風力發(fā)電機組相結合，充分吸取了被動失速和槳距調節(jié)的優(yōu)點，槳葉采用失速特性，調節(jié)系統(tǒng)采用變槳距調節(jié)。在低風速時，將槳葉節(jié)距調節(jié)到可獲取最大功率位置，槳距角調整優(yōu)化機組功率輸出；當風力機發(fā)出的功率超過額定功率后，槳葉節(jié)距主動向失速方向調節(jié)，將功率調整在額定值以下，限制機組最大功率輸出，隨著風速的不斷變化，槳葉僅需要微調維持失速狀態(tài)。制動剎車時，調節(jié)槳葉相當于氣動剎車，很大程度上減少了機械剎車對傳動系統(tǒng)的沖擊。主動失速調節(jié)型的優(yōu)點是具有了定槳距失速型的特點，并在此基礎上進行變槳距調節(jié)。機組在葉片設計上采用了變槳距結構。通過變槳距系統(tǒng)調節(jié)限制風力機獲取能量，保證發(fā)電機功率輸出的穩(wěn)定性，獲取良

8、好的動態(tài)性能；而變速調節(jié)主要用來響應快速變化的風速，減輕槳距調節(jié)的頻繁動作，提高傳動系統(tǒng)的柔性。1 / 251 / 251設計目的：風力機空氣動力學課程設計是風能與動力工程專業(yè)中重要的實踐性教學環(huán)節(jié)。通過該教學環(huán)節(jié)，使學生熟練掌握風力機葉片工作原理，并能夠通過結合動量葉素理論相關知識與給定的環(huán)境條件設計出工作葉片，鞏固和提高其風力機葉片設計及制造知識，樹立其理論知識指導設計的工作思想，加深其對現(xiàn)場生產實際的了解，培養(yǎng)其對工程技術問題嚴肅認真、負責的態(tài)度，為其以后從事實際工作打下堅實的基礎。2設計內容和要求：一、設計內容： （1）基于葉素和動量理論設計水平軸風力機葉片； （2）繪制風力機葉片弦長

9、隨葉片展向長度的變化曲線； （3）繪制風力機葉片扭角隨葉片展向長度的變化曲線； （4）繪制設計風力機的性能曲線； （5）編寫設計說明書，并附上必要的計算公式2 / 25 （6）分組分別設計出不同翼型的風力機葉片。2、 設計要求： （1）掌握風力機葉片設計原理； （2）掌握風力機葉片設計過程； （3）完成確定風力機葉片的參數(shù)； （4）按時提交課程設計說明書、圖紙，按時參加答辯。3設計工作任務及工作量的要求一、對于給定的風力機工作環(huán)境以及功率按照NACA給定的參數(shù)設計風力機工作葉片 每組同學數(shù)據(jù)給定情況不同可以采用手算和計算機編程序兩種方式進行，在答辯時要提前說明計算方法以及在每種方法中遇到的問題

10、，經教師校驗方法正確后方可進行答辯。二、編制課程設計計算說明書設計計算說明書中應附上主要計算公式以及適用條件、工作原理、設計方法、系統(tǒng)構成及流程、計算成立條件，字數(shù)不少于10000字（至少要8000字），要求條理清晰，邏輯嚴密，字跡工整。4主要參考文獻：風力機空氣動力學. Martin O.L. Hansen（著），肖勁松（譯）. 中國電力出版社，2010風工程與工業(yè)空氣動力學. 賀德馨. 國防工業(yè)出版社，2006風力機設計理論及方法. 趙丹平. 北京大學出版社, 20125所用基礎理論： 根據(jù)動量理論，描述作用在風輪上的力與來流速度之間的關系。 根據(jù)葉素理論，將風輪葉片沿展向分成許多微段，即

11、葉素，并假設在每個葉素上作用的氣流相互之間沒有干擾，作用在葉片上的力可分解為升力和阻力。 葉素-動量理論，假設各個葉素單元作用相互獨立，各個圓環(huán)之間沒有徑向干擾，軸向誘導因子a并不沿著徑向方向改變。3 / 256相關參數(shù)的選定：（1）調速方式：失速（2）翼型 （例如：NACA系列、NASA LS系列、NREL S系列）（3）葉片數(shù)目：3片（4）風力機功率：65 kW（5）來流風速：9m/s (6）=8（7）風能利用系數(shù)：0.45（8）傳動效率：0.92（9）發(fā)電機效率：0.95（10）葉片材料：玻璃纖維復合材料 7.風力機葉片外形設計計算： 1.確定風輪直徑D 由于P=,所以風輪直徑D=，風輪

12、半徑R=0.5D=10.857080m。 2確定風輪轉速n n =63.35rpm 3計算雷諾數(shù) 在C,壓強為標準大氣壓101.325kPa時，空氣的動力粘度u=17.9× 在AirfoilTools網(wǎng)站上選擇雷諾數(shù)1000000時的圖像來確定最佳升阻比是對應的升力系數(shù)和阻力系數(shù)。5 / 25 4根據(jù)在葉根處選擇相對較厚的翼型以承受葉片運行時的應力，并且能實現(xiàn)向葉根處的圓形斷面光滑過渡；葉尖選擇相對較薄的翼型以滿足葉片的氣動性能要求。將葉片分成16個剖面；從葉片展向 20%到95%，間隔5%來取。 在葉片展向20%、25%、30%和35% 處選擇剖面，并選擇翼型為NACA 4421

13、NACA4421-NACA 4421 airfoil 在葉片展向40%、45%、50%和55%處選擇剖面，并選擇翼型為NACA4418;NACA 4418- NACA 4418 airfoil在葉片展向60%、65%、70%和75%處選擇剖面，并選擇翼型為FX60-160 FX 60-160 AIRFOIL-Wortmann FX 60-160 airfoil5 / 25在葉片展向80%、85%、90%和95%處選擇剖面，并選擇翼型為NACA 63-412NACA 63-412 AIRFOIL-NANCA 63(1)-412 airfoil5.計算各剖面處的葉尖速比： 計算結果見表格16.在A

14、irfoilTools網(wǎng)站，查看各個翼型在最大升阻比時對應的升力系數(shù)和阻力系數(shù):6 / 25由左側的圖表查得NACA4421在最佳升阻比時，攻角 5.75(103.1)時，升力系數(shù)1.0543，阻力系數(shù)0.01023 ，最大升力系數(shù) 1.5771;由右側的圖表查得 在最佳升阻比時，攻角 5.75(115.8)，升力系數(shù)1.0909 ，阻力系數(shù)0.00929 ,最大升力系數(shù)1.60287 / 25由左側的圖查得FX60-160在最佳升阻比時，攻角 4.5(116.7)時，升力系數(shù)0.9322,阻力系數(shù) 0.00799 ，最大升力系數(shù) 1.446;由右側的圖表查得 在最佳升阻比時，攻角 4.25，

15、升力系數(shù)0.8168 ，阻力系數(shù) 0.00706,最大升力系數(shù)1.41797.計算四個剖面的弦長 各翼型斷面弦長計算式為：式中為不同 半徑對應的形狀參數(shù)，為最大升力系數(shù)。將帶入，得計算結果見表格18.計算各界面處的扭角 由左圖可知，在各界面處的的扭角： 其中為各界面處的入流角，為翼型的攻角。 i為各剖面沿弦長展向位置的百分比。 根據(jù)相關關系式就可以通過迭代方法求得軸向誘導因子 a和周向誘導因子b，迭代步驟如下： （1）假設a和b的初值，一般可取08 / 25 （2)計算入流角； (3)計算迎角 (4)根據(jù)翼型空氣動力特性曲線得到葉素的升力系數(shù) 和阻力系數(shù) （5）計算葉素的法向力系數(shù)和切向力系數(shù)

16、 （6）計算a和b的新值 其中，F(xiàn)為普朗特葉尖損失修正因子，。（7）比較新計算的a和b值與上一次的a和b值，如果誤差小于設定的誤差值（一般可取0.001），則迭代終止;否則，再回到步驟（2）繼續(xù)迭代。計算示例： （1）假設a和b的初值，a=0,b=0； （2）計算入流角rad=35.828； （3）計算迎角 （4）根據(jù)翼型空氣動力特性曲線得到葉素的升力系數(shù)1.0543和阻力系數(shù) （5）計算葉素的法向力系數(shù)和切向力系數(shù) （6）計算a和b的新值9 / 25 （7）比較新計算的a和b值與上一次的a和b值 所以取，再回到步驟（2）繼續(xù)迭代。 重復以上步驟，直到均小于0.1%,則可確定入流角，與此時的誘

17、導因子a和b。 由于需要迭代計算次數(shù)較多，采用計算程序進行計算（見附錄），計算結果匯總于表格1。9. 計算CC和C C=4a（ C=10. 校驗 C11 / 25 因為<8%,所以校驗合格。11. 計算P、T和Q M=12. 計算葉片根部直徑 4.442 此處取96% 葉片根部選擇高強度玻璃纖維,拉伸強度為3.53GPa， 所以， 取d=0.46259 11 / 25 以上計算結果匯總到下表（表格1）：剖面位置葉尖速比弦長/m入流角/°誘導因子a誘導因子b扭角/°攻角/°20%1.60.9251824.70880.2187650.061323218.9588

18、5.7525%2.00.7606820.93660.2056780.038211015.18665.7530%2.40.6438118.03110.19850.026041612.28115.7535%2.80.5571515.77540.1941380.018865410.02545.7540%3.20.4822513.91700.1980950.01459608.167055.7545%3.60.4305512.48930.1958140.01143236.739335.7550%4.00.3887211.31770.1941810.00919125.567765.7512 / 2555%

19、4.40.3542110.34080.1930130.00754704.590825.7560%4.80.350129.530920.1748950.00625354.280925.2565%5.20.329258.820090.1747520.00530383.570095.2570%5.60.306078.200750.1751920.00456222.950755.2575%6.00.285937.650550.17670.00398422.400555.2580%6.40.276927.361890.1595240.00318872.361895.085%6.80.260796.868

20、340.1671160.00291321.868345.090%7.20.246436.338220.1853550.00279481.338225.095%7.60.233565.548680.2421960.00299510.548685.0 (表格2）剖面位置誘導因子aP/W20%0.2187650.53407370.6836270.0667575046.910299.11319.125%0.2056780.51908830.6534980.0648830%0.19850.51006770.6363910.0637535%0.1941380.50430310.6257930.063034

21、0%0.1980950.50954150.6354130.0636945%0.1958140.50654350.6298830.0633150%0.1941810.50436120.6258980.0630455%0.1930130.50278140.6230350.0628460%0.1748950.47627270.5772260.0595365%0.1747520.47604870.5768540.0595070%0.1751920.47673830.5779990.0595975%0.17670.47908590.5819080.0598880%0.1595240.45075050.5

22、363040.0563485%0.1671160.46371010.5567520.0579690%0.1853550.49204070.6039940.0615095%0.2421960.55633540.7341360.06954 Cptotal0.45409210.5608900.0567613 / 2514 / 25 計算程序（VB） 1.計算入流角、誘導因子a和誘導因子bOption ExplicitConst pi = 3.1415926Private Sub Command1_Click() Dim a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k, l, m, n

23、, o, p, q, x, y, s, t As Double a = Text1.Text b = Text2.Text c = Text3.Text d = Text4.Text e = Text5.Text f = Text6.Text g = Text7.Text h = 16 * pi * b / (9 * d * 3 * a * Sqr(a 2 * g 2 + 4 / 9) Text8.Text = h m = 0 n = 0 s = 1 t = 1 Do Until (s <= 0.001 And t <= 0.001) l = Atn(1 - m) / (1 + n

24、) * g * a) p = e * Cos(l) + f * Sin(l)15 / 25 q = e * Sin(l) - f * Cos(l) i = 3 * h / (2 * pi * b * g) j = Exp(3 * (b * g - b) / (2 * b * g * Sin(l) k = 2 * (Atn(-j / Sqr(1 - j 2) + 2 * Atn(1) / pi x = i * p / (i * p + 4 * k * Sin(l) * Sin(l) y = i * q / (4 * k * Sin(l) * Cos(l) - i * q) s = (x - m)

25、 / x t = (y - n) / y m = x n = y Text9.Text = l * 180 / pi Text10.Text = x Text11.Text = y Loop Text12.Text = l * 180 / pi - c Text13.Text = 4 * x * (1 - x) 2 Text14.Text = 4 * x * (1 - x) o = Text13.Text Text15.Text = o / aEnd SubPrivate Sub Command2_Click() EndEnd Sub2. Option Explicit Const pi =

26、3.141592616 / 25 Private Sub Command1_Click() Dim l(4), d(4), m(4) As Double Dim sum(4) As Double Dim max As Double Dim s As Integer Dim u As Integer Dim a, e, c, f, g, h, i, n, x, y, q, t, o, z, w, k, v As Double Dim b As Double s = 1 Text1.Text = v max = 0 sum(1) = 0 l(1) = 1.0543: l(2) = 1.0909:

27、l(3) = 0.9322: l(4) = 0.8168 d(1) = 0.01023: d(2) = 0.00929: d(3) = 0.00799: d(4) = 0.00706 m(1) = 1.5755: m(2) = 1.6028: m(3) = 1.4637: m(4) = 1.4179 For u = 1 To 4 For s = 1 To 4 i = 0.15 + 0.05 * s c = 16 * pi * (8.833817) / 9 / m(u) / 3 / v / Sqr(v * v * i * i + 4 / 9) a = 0 b = 0 x = 1 y = 1 Do

28、 Until (x <= 0.001 And y <= 0.001) o = Atn(1 - a) / (1 + b) / (i * 8) n = l(u) * Cos(o) + d(u) * Sin(o) t = l(u) * Sin(o) - d(u) * Cos(o) q = 3 * c / (2 * pi * i * 8.833817) f = 2 / pi * (Atn(-(Exp(-1.5 * (1 - i) / i / Sin(o) / Sqr(-(Exp(-1.5 * (1 - i) / i / Sin(o) * (Exp(-1.5 * (1 - i) / i /

29、Sin(o) + 1) + 2 * Atn(1) g = q * n / (q * n + 4 * f * Sin(o) * Sin(o) h = q * t / (4 * f * Sin(o) * Cos(o) - q * t) x = (g - a) / g y = (h - b) / h a = g b = h Loop k = 4 * a * (1 - a) 2 w = 0.2 * k * i max = max + w Next s sum(u) = sum(u) + max Next u Text2.Text = sum(u - 1)17 / 25 End Sub 7.流程圖見附錄 8工作計劃：1、集中講授，下達設計任務，明確設計要求，提供設計資料2、根據(jù)給定的數(shù)據(jù)檢驗設定的軸向誘導因子和周向誘導因子的誤差范圍，使之收斂3、對于不同的葉素位置求解相關規(guī)定參數(shù)，并驗證參數(shù)使之收斂4、繪制Cp和的對應關系曲線，編寫課程設計說明書，熟悉設計內容5、獨立繪制設計葉片圖紙5、答辯 9、成績組成及考核標準：課程設計成績評定采用優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格五級分制記分，成績包括平時答疑成績、設計計算說明書成績和答辯成績三部分，其中平時答疑占20分，設計計算說明書成績占40