風力機葉輪設(shè)計與葉片空氣動力學仿真分析

1、風力機葉輪設(shè)計與葉片空氣動力學仿真分析 一、概述 作用在葉輪上的空氣動力是風力機最主要的動力來源，也是造成各個零部件的主要的載荷來源。要計算風力發(fā)電機組的載荷就必須先計算出空氣作用在葉片上的作用力。除了氣動載荷，風力機葉片在風機工作中受到的作用力主要還受到慣性力，特別應(yīng)該考慮重力、離心力和陀螺力等。 風力機的葉片設(shè)計分氣動設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計兩大部分，氣動性能計算為氣動設(shè)計結(jié)果提供評價和反饋，并為葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供氣動載荷等原始數(shù)據(jù)。氣動性能計算的準確性，直接影響葉片的氣動性能和結(jié)構(gòu)安全，從而影響風力機的運行效率和運行安全。二、風力機葉片幾何參數(shù) 1風力機葉片翼型幾何參數(shù)和氣流角翼型是組成風力機葉片

2、的基本元素，因此，翼型的氣動特性對風力機的性能起著決定性的作用。 以一個靜止的翼型為例，其受到氣流作用，風速為v，方向與翼型截面平行。 圖1 翼型的幾何參數(shù)和氣流角 翼型的尖尾(點B)稱為后緣。 圓頭上的A點稱為前緣，距離后緣最遠。 l翼型的弦長，是兩端點A、B連線方向上翼型的最大長度； C翼型最大厚度，即弦長法線方向之翼型最大厚度； 翼型相對厚度，通常為10%15%； 翼型中線從前緣點開始，與上、下表面相切諸圓之圓心的連線，一般為曲線； f翼型中線最大彎度； 翼型相對彎度，； 攻角，是來流速度方向與弦線間的夾角； o零升力角，它是弦線與零升力線間的夾角； 升力角，來流速度方向與零升力線間的夾

3、角。 =+0 （21） 此處0是負值，和是正值。 2.NACA四位數(shù)字翼型族NACA四位數(shù)字翼型分為對稱翼型和有彎度翼型兩種。對稱翼型即為基本厚度翼型，有彎度翼型由中弧線與基本厚度翼型迭加而成。中弧線為兩段拋物線，在中弧線最高點二者水平相切。四位數(shù)字翼型的表達形式為NACAXXXX第一個數(shù)字表示最大相對彎度的百倍數(shù)值;第二個數(shù)字表示最大彎度相對位置的十倍數(shù)值;最后兩個數(shù)字表示最大相對厚度t的百倍數(shù)值。例如NACA2410翼型，其最大相對彎度為9%;最大彎度相對位置為30%;最大相對厚度為18%。 圖2 攻角=10.5時葉片受力 圖3 葉片升力系數(shù)和阻力系數(shù)三、葉輪CFD仿真 圖4 葉片在氣流中

4、的受力分析已知條件：風速v=8m/s ， 葉輪外徑D=250 mm ， 葉輪厚度b=40 mm， 輪轂直徑d=100 mm 若： 葉輪轉(zhuǎn)速n=200rpm， 線速度u= Dn/60=2.6 m/s； 則氣相角I=arctg(v/u)=arctg(8/2.6)=72； 選翼型為NACA2410時，攻角=10，可得：安裝角=I-=72-10=62；又若：線速度u= 8m/s，則：轉(zhuǎn)速n=60u/D= 611 rpm I=arctg(v/u)=arctg(8/8)=45；=I-=45-10=35 表1：fluent仿真實驗數(shù)據(jù)Blade5h6h7h99 h12h18h30354062457440s7

5、474454574Pressure Differences (Pa)0.270.2550.3260.1280.2190.1300.3820.1750.0970.2830.32270.212Forces (N) X-C1.61.521.8770.661.2380.5142.230.9990.5931.5240.6470.647Moment（NM）-0.062-0.07-0.07-0.047-0.075-0.036-0.09-0.025-0.058-0.105-0.122-0.071 注：h表示d=100mm，否則d=150mm；四、理論計算 葉片升力 Fy=Clv2S/2 =1.11.22582

6、0.003 =0.12kg五、分析結(jié)論： 1、葉片越多，扭矩越大； 2、安裝角為3045時，扭矩較大，且無明顯差異； 3、由于葉片尺寸較小，所以葉輪的氣動特性差異不明顯，翼型影響也較小。附錄、各葉輪仿真實驗詳細數(shù)據(jù)1、5葉片， （1）安裝角30Pressure Differences (pascal)From BoundaryTo BoundaryValueinletoutlet0.270037912556Pressure Differences (Total) (pascal)From BoundaryTo BoundaryValueinletoutlet0.266688413503Velo

7、cities (m/s)Boundary or RegionAverageMinimumMaximumoutlet8.000006616387.542238095278.03176144015inlet8.08.08.0hub0.00.00.0blade0.00.00.0flow-region7.998870189290.013.0147641438Pressures (pascal)Boundary or RegionAverageMinimumMaximumoutlet-0.509536461268-0.837022364140.0inlet-0.239498548712-0.361808

8、7172510.113551989198hub-6.11743633104-115.75695037841.5277099609blade-10.1038917169-367.303131104129.74105835flow-region-0.474842265349-367.303131104129.74105835Pressures (Total) (pascal)Boundary or RegionAverageMinimumMaximumoutlet38.693813800734.298165131338.9829790228inlet38.960502214238.83819204

9、5739.3135527521hub4.48389157665-90.802159013746.5633526369blade3.19278411713-360.95963736155.937268562flow-region38.7416665659-360.95963736155.937268562 （2）安裝角40Pressure Differences (pascal)From BoundaryTo BoundaryValueinletoutlet0.326839743087Pressure Differences (Total) (pascal)From BoundaryTo Bou

10、ndaryValueinletoutlet0.321891636562Velocities (m/s)Boundary or RegionAverageMinimumMaximumoutlet8.000010273617.519436261448.03983576077inlet8.08.08.0hub0.00.00.0blade10.00.00.0blade0.00.00.0flow-region7.997566485460.014.35304269Pressures (pascal)Boundary or RegionAverageMinimumMaximumoutlet-0.441587

11、868739-0.6491182446480.0217580795288inlet-0.114748125652-0.2611950337890.32120808959hub-5.23889354767-129.04757690441.2422904968blade1-10.5344783064-285.36633300841.6371612549blade-9.45141871405-331.97903442441.6660194397flow-region-0.405796904955-331.97903442441.6660194397Pressures (Total) (pascal)

12、Boundary or RegionAverageMinimumMaximumoutlet38.763361000734.321014632239.1302007179inlet39.085252637338.938805729239.5212088525hub5.66634001659-112.10871334346.2597114622blade12.46701758788-242.96583283550.9565993154blade3274.5836556154.2874234729flow-region38.8087641782-274.5836556170.3868095757Mass Flow Rates (kg/s)BoundaryValueoutlet-61.456882inlet61.456909Net2.70000000029e-005For