此文檔收集于網絡，如有侵權，請聯系網站刪除課程：空氣動力學2KW風力發電機組低風速葉片設計與分析 姓 名：余輝 學 號：201580812008 指導教師：傅彩明2016年01月05日此文檔僅供學習與交流2KW風力發電機組低風速葉片設計與分析一. 課題研究的背景和意義1941年，美國把蒙特研制的第一臺風力發電機開啟了風力發電;此后，大型風力渦輪發電機促進了風力發電;如今,世界許多國家都安裝了超大型風力發電機進行風力發電,促進風力發電長遠發展。近年來全球的風力發電發展很快，裝機容量的年平均增長率超過了30%。風能是一種技術比較成熟、很有開發利用前景的可再生能源之一。開發利用風能對世界各國科技工作者具有極強的魅力，從而喚起了世界眾多學者致力于風能利用方面的研究。本文將對風力發電基本原理和具體2KW風機葉片設計進行論述。目前，全球都面臨著能源枯竭、環境惡化、氣溫升高等問題，日益增長的能源需求、能源安全問題受到世界各國廣泛關注。風能具有可再生、資源廣、安全、清潔、無燃料風險等優勢，因此，世界各國都在加快風力發電技術的研究，以緩解越來越重的能源和環境壓力。中國是世界上最大的煤炭生產國和消費國，提供電力的能源消費是以煤炭為主，燃煤發電量占總發電量的80%。但是，能為人類所用的石化資源是有限的，據第二屆環太平洋煤炭會議資料介紹，若不趁早調整以石化能源為主體的能源結構，終將導致有限的石化能源趨于枯竭，人類生態環境質量下降的惡性循環，不利于經濟、能源、環境的協調發展。二. 風力發電機的設計理論風力發電是通過捕風裝置的風輪將風能裝換成機械能，再將機械能轉換成電能的過程，因此構成風輪的翼型的結構性能直接影響著分風能的轉換效率。本章介紹風力機翼型的幾何結構、空氣動力學基礎概念及基礎理論，為下文的葉片分析設計奠基礎。2.1風力機的基本概念（1）風力機的基本概念和參數風輪葉片的幾何形狀不同，則空氣動力特性也不同。為了設計風機，必須對風機的有關的概念和術語加以理解，例如，風輪、葉片、葉片旋轉平面、風輪直徑、葉尖速比等，而翼型外形由翼的前后緣、弦、中弧線、翼的上下表面、葉片安裝角、攻角、來流角、最大厚度及最大相對厚度、彎度與彎度分布等參數決定。（2）葉片空氣動力學相關概念風力發電機的葉片是細而長的結構，相對于流動方向的速度分量，其葉展方向的速度分量通常很小，因此，通常假定在給定徑向位置處的流動是二維的，這樣就可以使用二維翼型數據對葉片的氣動性能進行分析。假定翼型處于靜止狀態，令空氣以相同的速度吹向葉片時，作用在翼型上的空氣動力將不改變其大小。空氣動力只取決于相對速度和攻角的大小。由于受翼型表面形狀的影響，作用在翼型表面上的空氣壓力是不均勻的。翼型的上表面壓力低于周圍的氣壓，稱為吸力面；下表面壓力則高于周圍氣壓，稱為壓力面。由伯努利理論，翼型的上表面氣流速度較高，下表面的氣流速度則比來流低。因此翼型的周圍可以看做是兩類氣流的合成。第一類是當翼型置于均勻的氣流中，在零升力條件下流過翼型的氣流；另一類是圍繞翼型的環流，從下表面流回到上表面。翼型的升力就是由后者產生的。作用于翼型截面上的空氣動力可以由升力、阻力和俯仰力矩來表示。對于迎角的各個值總有一特殊點，使得空氣動力對這一點的力矩為零，稱為壓力中心（也稱氣動中心）。空氣動力在翼型截面上的影響可以由單獨作用于壓力中心點的升力和阻力來表示。當氣流流過翼型時，葉片下表面的壓力大于周圍空氣的壓力，而上表面的壓力則要小與周圍的空氣壓力。因此，在葉尖空氣要從下表面流向上表面，結果在葉稍產生渦旋。在葉片中部的對稱面兩邊的旋渦具有不同的旋轉方向，并且在離開葉片后面不遠的地方翻卷長兩個孤立的大旋渦。旋渦的不斷形成以及葉片運動參數的變化，他們所需的能量供給必然減少氣流對葉片所做的功，所以這些旋渦引起的后果就是使得阻力增加，由此產生的這部分阻力被稱為誘導阻力。2.2 風力機的基本氣動理論風力發電是一門包含流體力學、空氣動力學、材料力學、機械加工等各方面知識的復雜學科，隨著對風力發電研究的深入，特別是流體力學和空氣動力學的發展及其在風力發電機設計上的應用，形成了許多關于風力發電機設計的理論，其中最重要的有貝茲理論、葉素理論和葛勞渥旋渦理論。三.葉片設計過程3.1 設計基礎較好的風力機必須具有良好的氣動性能，以獲得較高的風能利用系數和較大的經濟效益。風力機的氣動性能主要表現為葉片的氣動性能。因為葉片的設計對風力機性能有重大影響。葉片的核心設計包括：計算風輪直徑D，確定葉片數B，選取葉素翼型，計算各葉素弦長C和安裝角。葉片分析設計流程為：（1）確定風機特征風速及電機功率P；（2）計算風輪直徑D；（3）確定風機尖速比；（4）確定風機葉片數B；（5）選取葉片翼型；（6）確定各葉素弦長C和安裝角；（7）計算葉片性能參數；（8）計算葉片動力學特征。3.2 風力機特征風速的確定風速變化大，很難用一種數學模型準確地描述。對風速描述的方法：以實測典型風的各種風速的頻率曲線為基礎，模擬風速的頻率曲線，用概率統計的方法建立估算風速的數學表達式。世界常用的估算風速的函數有兩種：（1）瑞利（Ray leigh）函數分布；（2）威布爾（Weibull）函數分布。3.3 葉片基本設計方法3.3.1 風輪直徑計算的五個模型（1）模型一 對給定的風力機，其風輪直徑D為： （3-1）式中，風力機輸出功率；風能利用系數；機械效率； 空氣密度，1.225；額定風速；（2）模型二 對模型一進行簡化得： （3-2）（3）模型三 根據以往實踐，對于現代高速風力機風輪直徑D可粗略的估算為： （3-3）（4）模型四 對于大型風力發電機，其風輪直徑D可粗略的估算為： （3-4）模型二、三、四是在一的基礎上做的某些簡化，相比，模型一計算精度較高。（5）模型五 考慮溫度、高度對空氣密度的影響，水平軸風力發電機的風輪直徑： （3-5）式中，單位換算系數； 空氣高度密度換算系數，不同海拔高度空氣密度的修正系數；空氣溫度密度換算系數，不同溫度時空氣密度的修正系數；風力機總效率，風力機的總效率一般取；低速風力機取小值，高速風力機取大值；一般設計時高速風力機取3050。3.3.2 葉片相關設計參數確定（1）尖速比風輪的尖速比是風輪的葉尖線速度和設計風速之比。尖速比與風輪效率密切相關，在風力機沒有超速的條件下，運轉于高尖速比狀態下的風力機具有較高的風輪效率。尖速比-風能利用系數的影響情況如圖3.1所示。從性能曲線可知，不管葉尖速比高或低，風能利用系數都不是最優，只有在某個中間狀態，才可達到最佳。若風力發電機在整個運行區域內，都可保持在這個最佳葉尖速比狀態，則風能利用效率就是最好的。通常，高速風力機尖速比在6之間時，風力機具有較高的風能利用系數。圖3.1 尖速比對風能利用系數的影響（） 葉片數B風輪的葉片數取決于葉片的尖速比，風力發電的高速風力機一般取5 ，性能更為優越的三葉片風力機的應用較為廣泛。貝茨理論和渦流理論基于無限葉片數，有限風力機葉片數B對風力機效率存在影響機理做了闡述，其方法應用于風力機時，在正常負載情況下，其風能利用系數與風洞試驗結果接近。（3）翼型翼型的選取對風力機的效率十分重要，葉片通常由翼型系列組成。較好的翼型應該是在某一攻角范圍內升力系數 較高，而阻力系數較小；它所適應的雷諾數與風力機實際運行情況的雷諾數相近；且具有較高的結構強度和良好的制造工藝性。由于葉片根部各翼型力臂較小，對風力機風輪輸出扭矩貢獻不大，所以葉根對風力機性能影響較小，主要考慮加工方便和強度問題。在尖部采用薄翼型以滿足高升阻比的要求；根部采用相同翼型或較大升力系數翼型的較厚形式，以滿足結構強度的需要。翼型數據選取步驟如下：(1)選取雷諾數R，選取與風力機實際運行時的雷諾數相近的值；(2)選取最佳攻角及升阻系數，選取相近雷諾數附近的最大升阻比所對應的角度作為攻角，再由攻角確定升力系數和阻力系數等特征值。3.3.3 葉展的葛勞渥（Glauert）設計模型葛勞渥（Glauert）設計模型是考慮了風輪后渦流流動的葉素理論。其設計模型有兩種，一種未引入干擾系數，另一種則引入了干擾系數。（1）模型一中間參數計算： （3-6）弦長C： （3-7）安裝角： （3-8）（2）模型二風輪半徑r處的葉素對風輪軸功率的貢獻量為： （3-9）風能利用系數： （3-10）求最大風能利用系數，即求式（3-13）的條件極值，通過運算可得到上式的極值條件為： （3-11）這樣對應一個值就可以利用式（3-11）求得相應的軸向干擾系數a及切向干擾系數b的值。通過以上各式可得弦長C： （3-12）安裝角： （3-13）3.4 具體2KW型風機葉片設計3.4.1 確定風輪直徑D本文選擇風輪直徑計算模型一，即式（3-1）計算風輪直徑D：式中，風能利用系數； 發電機的機械效率；空氣密度； 設計風速。取風輪直徑。3.4.2 確定尖速比由于通常，高速風力機尖速比在6時，風力機具有較高的風能利用系數，因此本文選取尖速比3.4.3 確定葉片數B三葉片風機的運行和輸出功率較為平穩，目前風機多采用三葉片，因此本文也將采用三葉片。3.4.4 確定翼型本文的翼型選取與翼型基本氣動性能計算借助于Profili軟件，Profili軟件是專業進行翼型設計和分析的空氣動力學分析設計軟件。該軟件翼型庫量大，且可根據需要設計新翼型；其氣動性分析以專業氣動性分析軟件XFOIL為基礎，可針對不同需要從不同角度對現有翼型進行氣動性分析，計算全面且精度高。該軟件的應用不僅簡化了葉片設計的翼型選取環節，而且提高了翼型外形數據和氣動性能數據的精度，進而提高了葉片設計精度。由于各種翼型具有不同的安裝角、升阻比、尖速比和葉片扭曲，因此，各種翼型的捕獲風能的能力，抗彎強度，降噪能力等等各不盡同，而復合葉片可以綜合幾種翼型的優點，獲得一種綜合性能好的葉片。所以本文采用風力發電機專用新翼型S822和S823翼型，將兩者進行組合使用。此類翼型具有更大升力系數以及更小的外形阻力，還具有對表面粗糙度不敏感的特性。S822翼型形狀如圖3.2所示，其最大彎度16.01在39.2翼弦處，最大曲面1.89在59.6翼弦處，翼型前緣半徑0.6452，翼型后緣厚度為0。圖3.2 S822翼型形狀 圖3.3 S823翼型形狀S823翼型形狀如圖3.3所示，其最大彎度21.14在24.3翼弦處，最大曲面2.51在70.5翼弦處，翼型前緣半徑1.0749，翼型后緣厚度為0。（1）雷諾數的選取由于葉片運行于10米左右的空間環境內，所以由Profili軟件計算10米高空空氣的雷諾數得=500000。（2）設計攻角及升阻系數1、S822翼型的攻角及升阻系數應用Profili軟件對S822翼型數據進行分析得到圖3.4和圖3.5以及表3.1所示的結果：圖3.4 S822升阻系數隨攻角的變化情況圖3.5 S822升阻比及力矩系數隨攻角的變化情況表3.1 S822不同攻角下的各系數值表S822= 500000AlfaClCdCl/CdCm-8-0.51870.0128-40.5234-0.0863-7.5-0.48180.0123-39.1707-0.0835-7-0.44470.0117-38.0085-0.0807-6.5-0.40420.0112-36.0893-0.0786-6-0.35860.0107-33.514-0.0772-5-0.26590.0099-26.8586-0.0747-4.5-0.21870.0095-23.0211-0.0735-4-0.16950.0092-18.4239-0.0727-3.5-0.11720.0089-13.1685-0.0723-3-0.06360.0087-7.3103-0.0721-20.04290.00864.9884-0.0716-1.50.09740.008611.3256-0.0715-10.15420.008518.1412-0.0718-0.50.21170.008524.9059-0.072200.2670.008730.6897-0.07230.50.32040.008736.8276-0.07191.50.43530.008551.2118-0.072420.48760.008557.3647-0.07172.50.54110.008464.4167-0.071230.59790.008570.3412-0.071440.69680.008581.9765-0.068650.78420.008691.186-0.06355.50.82130.008992.2809-0.059760.84040.009192.3516-0.05216.50.83550.009885.2551-0.040170.82170.010975.3853-0.02727.50.82690.012168.3388-0.0198.50.88960.015457.7662-0.015790.90940.01753.4941-0.01159.50.93330.018550.4486-0.008100.95680.0247.84-0.004510.50.97920.021745.1244-0.0011111.00590.023343.17170.001511.51.0180.025839.45740.0056121.05010.027138.74910.007312.51.06760.029436.31290.0102131.0760.032633.00610.0137從如圖3.5所示的曲線中可以大致知道，在攻角為6附近升阻比為最大。由表3.1不同攻角下的升、阻力系數可知，S822翼型在攻角為6時具有最大的升阻比/=92.3516，此時升力系數=0.8404，阻力系數=0.0091。2、S823翼型的攻角及升阻系數應用Profili軟件對S823翼型數據進行分析得到圖3.6和圖3.7以及表3.2的結果。從如圖3.7所示的曲線中可以大致知道，在攻角為7附近升阻比為最大。參見不同攻角下的升、阻力系數表3.2可知，S823翼型在攻角為7時具有最大的升阻比/=85.5366，此時升力系數=1.0521，阻力系數=0.0123。圖3.6 S823升阻系數隨攻角的變化情況圖3.7 S823升阻比及力矩系數隨攻角的變化情況表3.2 S823不同攻角下的各系數值表S823= 500000AlfaClCdCl/CdCm-6-0.33250.014-23.75-0.1276-5.5-0.28420.0134-21.209-0.1274-5-0.23110.0132-17.5076-0.1276-4.5-0.17650.0133-13.2707-0.1278-4-0.12360.013-9.5077-0.1274-3.5-0.06930.0125-5.544-0.1277-3-0.0130.0121-1.0744-0.1279-2.50.04150.01173.547-0.1276-1.50.15160.010714.1682-0.127-10.20740.010719.3832-0.1267-0.50.26440.010724.7103-0.126900.32130.010530.6-0.12690.50.37770.010735.2991-0.126710.4350.010541.4286-0.12671.50.49160.010546.819-0.12662.50.6050.010657.0755-0.126130.65970.010861.0833-0.12553.50.71490.010866.1944-0.124940.76790.010970.4495-0.12384.50.82120.011273.3214-0.122850.87330.011277.9732-0.12165.50.92270.011580.2348-0.119860.970.011782.906-0.11776.51.01570.011985.3529-0.115271.05210.012385.5366-0.11117.51.08210.012983.8837-0.105981.1070.013780.8029-0.18.51.12270.014975.349-0.093291.13570.016469.25-0.08639.51.14640.018163.337-0.0798101.1590.019958.2412-0.074110.51.17370.021953.5936-0.0692111.18940.02449.5583-0.065111.51.2010.026645.1504-0.0611121.21410.029241.5788-0.057512.51.22950.031838.6635-0.05443.4.5 葉展形狀設計計算考慮到葉片需要與輪轂配合，同時要考慮翼型與連接部分的過度以及強度要求，葉片小于0.1倍直徑R部分采用過度設計而不采用翼型。葉片設計主要考慮0.2RR采用翼型的部分，主要計算各個葉素的弦長C和安裝角。本文選擇葛勞渥（Glauert）設計模型二來計算各個葉素的弦長C以及安裝角。為滿足葉尖部分高升阻比，根部具有較高結構強度的要求，將葉片0.2RR段沿葉展方向分成40段每段57mm，共計41個截面。其中127截面采用較厚的S823翼型，2841截面采用升阻比較大的S822翼型。根據葛勞渥（Glauert）設計模型二，并通過運用工程計算軟件Matlab進行編程計算得到各個葉素的弦長和安裝角，并通過函數擬合來對其所得結果進行修正。修正前后所得到的弦長和安裝角如下表所示：表3.3 葉片設計參數列表葉素編號半徑（mm）軸向干擾系數徑向干擾系數弦長C（mm）安裝角（）所選翼型修正前修正后修正前修正后10.25700.32070.1335479473.835819.53719.7539S82320.226270.32240.1127460452.893417.764518.0325S82340.267410.3250.0832421414.337914.773915.0037S82350.287980.3260.0726403396.658213.508513.679S82360.38550.32680.0638386379.999312.369712.4695S82390.3610260.32860.0452339335.81329.56169.4554S823100.3810830.3290.0408326322.90348.78818.631S823120.4211970.32980.0337301299.6127.42967.2112S823150.4813680.33050.026269270.4945.76545.5621S823170.5214820.33090.0223252254.57184.84754.7175S823180.5415390.33110.0207243247.55764.43494.3567S823190.5615960.33120.0193236241.12994.04934.0308S823210.617100.33150.0168222229.90113.34943.4676S823230.6418240.33170.0148209220.61812.73112.9982S823240.6618810.33180.0139203216.62292.44822.7907S823250.6819380.33190.0131198213.01392.18112.5977S823260.719950.3320.0124193209.75781.92832.4168S823300.7822230.33220.01218199.59472.04091.7765S822310.822800.33230.0095213197.60221.84551.6304S822340.8624510.33240.0083199192.40631.31191.2143S822350.8825080.33250.0079194190.82361.14961.0828S822360.925650.33250.0076190189.25980.99430.9556S822380.9426790.33260.0069183186.05550.70290.7176S822400.9827930.33260.0064175182.52630.43460.5102S82241128500.33270.0061172180.55640.30820.4225S822其中在對葉片的弦長和安裝角進行擬合修正時，以為自變量，分別以（，C）和（，）作為樣點進行函數模擬。通過運用Matlab中的polyfit函數分別對弦長C和安裝角采用三次、四次多項式進行修正。最后得到的擬合函數如下：為將修正前后的結果更加的形象化，將其修正前后的弦長C和安裝角隨半徑r的變化分布情況做成線圖，如圖3.8和圖3.9所示。 圖3.8 弦長C隨半徑r的變化曲線 圖3.9 安裝角隨半徑r的變化情況3.5 葉片的幾何建模3.5.1 葉片各葉素三維坐標處理圖形變換的實質是對組成圖形的各頂點進行坐標變換。本文將采用基于點的坐標幾何變換理論求解葉片各截面在空間實際位置的三維坐標。其思路為：獲得翼型上下弦數據以翼型氣動中心為原點的二維坐標葉素各離散點空間實際坐標(x,y,z)。建立三維坐標系：設葉片根部r=0處的葉素平面為XOY平面；葉展方向為Z軸正向；原點設在r=0的葉素平面的氣動中心。葉片輪廓線各離散點坐標(x,y,z)。具體求解步驟如下:(1)獲取翼型數據。通過Profili軟件導出S822翼型和S823翼型的數據。(2)求解以翼型氣動中心為原點、翼型前后緣連線為x軸的二維坐標。設氣動中心坐標為。則 （3-19）(3)求解各葉素各離散點空間實際坐標(x,y,z)。結合弦長計算各葉素坐標： （3-20）旋轉葉素得實際空間坐標： （3-21）將式（3-21）代入式（3-22）有：本文將翼型氣動中心確定在翼弦上距離前緣30處，并通過Matlab編程計算得到各個葉素的三維坐標數據。 3.5.2葉片幾何建模將上一步計算得到的各個葉素的三維坐標參數(x,y,z)導入EXCEL中，然后直接通過solidedge中的“按表創建曲線”命令將EXCEL中的各個葉素的三維坐標分別導入以獲得各葉素的輪廓線。導入solidedge中的各個葉素輪廓線如圖3.10所示。圖3.10 各個葉素輪廓線圖3.11 葉片的幾何模型通過對所獲得的各個葉素輪廓線并結合葉柄數據進行放樣拉伸以及除料等處理，進一步生成葉片的整體三維模型，如圖3.11所示。四. 葉片靜態氣動性能計算4.1 風力機氣動性能指標在描述風力機的氣動性能時，通常