cdb12級風能空氣動力學課程設計指導書

1、課 程 設 計 指 導 書課 程 設 計 指 導 書機 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： 曹棟波 班 級： 風能1201 組 號： 8 指導教師： 姚桂煥 設計時間： 2周 成 績： PAGE PAGE 111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(chǎn)實際的了解，培養(yǎng)其對工程技術問題嚴肅認真

2、、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 （6）分組分別設計出不同翼型配置的風力機葉片。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

3、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，經(jīng)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

4、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。6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：P=33kW (648 kW)（5）來流風速：V=10m/s（612 m/s）（6）葉尖速比=8 （79）（7）

5、風能利用系數(shù)：0.43（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風力機葉片的外形設計計算 1.確定風輪直徑D 由于P=，所以風輪直徑D=，風輪半徑R= 2.確定風輪轉速 3.計算雷諾數(shù) 在，壓強為標準大氣壓101.325kPa時，空氣的動力粘度 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時對應的升力系數(shù)和阻力系數(shù)。 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度；葉尖選用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個斷面：從葉片展向20%到95%，間隔5%

6、來取。 在葉片展向20%、25%、30%、和35%處選擇剖面，并選擇翼型為NACA4421； 在葉片展向40%、45%、50%和55%處選擇剖面，并選擇翼型為NACA4418； 在葉片展向60%、65%、70%和75%處選擇剖面，并選擇翼型為NACA4418； 在葉片展向80%、85%、90%和95%處選擇剖面，并選擇翼型為FX 60-160； 5.計算各剖面處的葉尖速比： 計算結果見表格1 6.在Airfoil Tools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)： 由左側的圖查得XXXX在最佳升阻比時，攻角時，升力系數(shù)，阻力系數(shù)，最大升力系數(shù)；由右側的圖查得XXXX在最佳升阻

7、比時，攻角，升力系數(shù)，阻力系數(shù)，最大升力系數(shù)。 由左側的圖查得XXXX在最佳升阻比時，攻角時，升力系數(shù)，阻力系數(shù)，最大升力系數(shù)；由右側的圖查得XXXX在最佳升阻比時，攻角，升力系數(shù)，阻力系數(shù)，最大升力系數(shù)。 7.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1 8.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0 （2）計算入流

8、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) （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； （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) （6）計算a和b的新值 （7）比較新計算的a和b值與上一次的a和b值 所以取，再

9、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 10.校驗 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 此處取 葉片根部選擇高強度纖維T=300,拉伸強度為3.53GPa，= 所以， 取d=8、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分，答辯成績占40分?？偡謹?shù)為

10、90100分的課程設計成績?yōu)椤皟?yōu)”，總分數(shù)為8089分的課程設計成績?yōu)椤傲肌?，總分?shù)為7079分的課程設計成績?yōu)椤爸小保偡謹?shù)為6069分的課程設計成績?yōu)椤凹案瘛?，總分?shù)為059分的課程設計成績?yōu)椤安患案瘛薄３煽儍?yōu)秀的比例一般不超過答辯人數(shù)的20%。出現(xiàn)以下情況中的任一項，課程設計成績直接為“不及格”：不提交設計計算說明書；無故不參加課程設計答辯；設計內容與任務書的要求不符。設計流程圖一a誤差8%b誤差8%b誤差8%P誤差8%通過以上值求出a和b的計算值將a計算值和b計算值與a假設值和b假設值進行比較，得到各自的誤差a誤差和a誤差計算每個下的dM、dP，并將所有dP相加得到P計算P與Pu的誤差

11、由sin求出不同下的值，已知最佳攻角由=-求的不同下的值，畫出與的曲線由公式求出不同下弦長c的值，畫出c與的曲線步驟1：步驟2：步驟3：步驟11：步驟10：步驟9：步驟8：步驟4：步驟5：步驟14：步驟12：“、：將R分為10分，分別求取=0,1、0.20.9、1情況下的a和b選定翼型，確定最佳迎角下的Cl和Cd設定葉尖速比，V，Pu， 計算V計算葉片半徑R計算角速度假設a的值，求出 b的值步驟6：步驟13：將假設值代入公式分別求得W、sin、cos，Cx、Cy、 步驟7：接步驟8 流程圖二：以流程圖一為基礎，繪制Cp和的關系曲線步驟1：步驟4：步驟2：步驟7：a誤差8%b誤差8%a誤差8%b誤差8%將a計算值和b計算值與a假設值和