风力机叶片设计与制作课程设计.docx
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风力机叶片设计与制作课程设计
风力机空气动力学
课程设计（综合实验）报告
（2012--2013年度第1学期）
名称：
风力机空气动力学
题目：
风力机叶片设计与制作
院系：
可再生能源学院
班级：
学号：
学生姓名：
指导教师：
设计周数：
成绩：
日期：
2014年1月11日
一、目的与要求
主要目的：
1.掌握动量叶素理论设计风力机叶片的原理和方法
2.熟悉工程中绘图软件及办公软件的操作
3.掌握科研报告的撰写方法
主要要求：
1.要求独立完成叶片设计参数的确定，每人提供一份课程报告
2.每小组提供一个手工制作的风力机叶片
二、设计（实验）正文
设计并制作一个风力机叶片
1.原始数据
三叶片风力机功率P＝6.03KW
来流风速7m/s
风轮转速72rpm
风力机功率系数Cp＝0.43
传动效率为0.92
发电机效率为0.95
空气密度为1.225kg/m3
5人一组，每个小组采用一种风力机翼型，翼型的气动数据（升力系数，阻力系数，俯仰力矩系数）已知。
2.设计任务
1）风力机叶片设计：
根据动量叶素理论对各个不同展向截面的弦长和扭角进行计算，按比例画出弦长、扭角随叶高的分布。
2）根据以上计算结果手工制作风力机叶片，给出简单的制作说明。
三、进度计划
序号
设计（实验）内容
完成时间
备注
1
叶片参数的计算
3天
2
叶片制作
1天
3
报告撰写
1天
4
课程设计答辩
半天
四、数据计算
选用翼型s830
1.叶片半径的计算：
由风力发电机输出功率：
得，叶片直径：
叶片半径：
2.叶尖速比的计算：
整个叶片的叶尖速比：
设计中取9处截面，分别是叶片半径的0.15,0.20,0.30，……，0.90.
3.各截面处翼型弦长：
确定每个剖面的形状参数N:
可根据公式：
求得：
由气动数据表查得最大升力系数
=1.5283，取风机叶片数B=3，不同半径处叶片弦长的计算由程序直接给出结果及线性优化后修正弦长如下：
弦长随叶高分布
叶高/m
0.7398
0.9864
1.4796
1.9728
2.466
2.9592
3.4524
3.9456
4.4388
弦长/m
1.0895
0.9025
0.6553
0.5083
0.4134
0.3477
0.2997
0.2632
0.2345
修正弦长/m
0.8114
0.7342
0.6214
0.5083
0.4134
0.3477
0.2997
0.2632
0.2345
图如下（系列1为计算弦长；系列2为修正后弦长）
3.各截面处翼型的扭角：
由右上图知各截面处的扭角：
其中
为各截面处的入流角，
为翼型临界攻角，且由气动数据表查得最大升力系数对应的攻角为α=5°即为翼型临界攻角
根据相关关系式就可以通过迭代方法求得轴向诱导因子a和周向诱导因子b，迭代步骤如下：
1）假设a和b的初值，一般可取0；
2）计算入流角；
3）计算扭角θ=φ-α；
4）根据翼型空气动力特性曲线得到叶素的升力系数Cl和阻力系数Cd；
5）计算叶素的法向力系数Cn和切向力系数Ct
6）计算a和b的新值
7）比较新计算的a和b值与上一次的a和b值，如果误差小于设定的误差值（一般可取0.001），则迭代终止；否则，再回到
（2）继续迭代。
其中，F为普朗特叶尖损失修正因子，且
由以上迭代公式得到计算程序（见附录），并由程序计算得到个界面处的入流角：
因为根部有轮毂，故从15%处开始计算扭角
计算直接由程序给出
扭角沿叶高的分布
叶高/m
0.7398
0.9864
1.4796
1.9728
2.466
2.9592
3.4524
3.9456
4.4388
扭角n/°
28.8201
25.1323
19.2346
14.5597
11.2285
8.7679
6.8701
5.2678
3.4969
图如下
五、叶片制作
1.选取比例1：
5；
2.利用绘图工具分别绘出不同界面的翼型，打印；
3.将打印好的翼型贴在硬纸板上，沿线剪下；
4.在各截面1/4处确定为转轴的位置；
5.扭角的固定：
将翼型截面转至相应的扭角位置，画一条直线，在直线上选取两点挖点并以两根铁丝将翼型穿起，形成骨架；
6.外形生成：
将纸裁成条后，沿支架贴于表面，形成叶片。
六、课程设计心得体会
10月8号，叶片厂实习。
从学校到保定华翼风电叶片厂有超过3个小时的路程，初下车，迎面而来的寒风让人清醒，闯入视野的庞大的风力机叶片让我感到十分震撼。
厂方的工作人员热情地接待了我们，耐心而细致的给我们讲解风力机叶片设计制造工艺。
我提问讲解人员三个问题：
一个是叶尖处有两个小孔，它们的功能是什么，她回答，是排水用的；另一个问题是我看到叶片为什么没有防雷装置，她回答说实验的叶片，没有布置，我接着问防雷装置的布置是怎样的，她有给我耐心的讲解；最后一个问题是叶片与轮毂的连接，她给我们介绍几种联接方式，预埋双头螺柱、打孔进行螺栓联接等工艺。
接着又到生产车间学习叶片的生产工艺，先进的复合材料与严密的工艺流程给我很大的感触，想想现在自己还在时不时的在做事情的时候粗心大意，觉得自己还有很长的路要走。
后来讲解人员又带领我们到叶片测试中心参观。
高耸的测试塔，密密麻麻的数据线让人眼花缭乱，才清楚叶片设计制造与生产检测原来是那么复杂的事情。
这也让我想起了材料力学的力学性能检测试验，我问工作人员，是不是采用应变片做为传感器，她给了肯定的回答，我非常高兴。
剩下的就是叶片的设计与模型制作了。
我们在动员大会结束后，我、xxx、xxx、xxx、xxx立即结成小组，我组建了一个QQ讨论组，把他们都邀请进来，然后我和小组成员讨论了翼型选择，确定后分配了任务，大家团结协作，高效地完成了任务，我们都非常高兴。
在叶片骨架制作的过程中，选取材料不得当，铁丝太细，强度不够，我们有马上想办法解决，最后用多年积攒的一次性筷子解决了问题。
虽然制作的不是很精美，但我们真心付出了自身的脑力、体力，是我们团结协作的结果，从这个角度来看，是完美的。
一周的风力机空气动力学课程设计马上就要结束了，这一周过得紧张而又充实，非常感激学校、老师提供的宝贵资源与大力的支持，我在课程设计中收获很多，学习到了课本中难以把握的工程实际知识，锻炼了实际操作软件与动手能力，提高了自身的专业素质，对风力机空气动力学原理与风力机叶片设计制造有了具体、深入的认识。
风力机空气动力学课程设计中，我还体会到一些做人做事的道理，如团队意识与组织协调，专心、细心、耐心这些只有在活动中才能感悟到其重要性的东西。
一、
二、
三、
四、
一、
二、
三、
四、
七、参考资料与应用软件
《风力机空气动力学》贺德馨等著，华北电力大学校内教材；
AutoCADAutodesk（欧特克）公司出品；
MATLAB2013b美国MathWorks公司出品。
八、附录
1.程序（mtatlab）：
R=4.932;B=3;a=zeros（1,9）;b=zeros（1,9）;n=zeros（1,9）;sig=zeros（1,9）;F=sig;g=5*pi/180;Cl=1.0789;
Cd=0.0216;r=[0.150.20.30.40.50.60.70.80.9]*R;Clm=1.528;jihe0=load（'s830.dat'）;
lam=5.31;lamd=[0.150.20.30.40.50.60.70.80.9]*lam;c=zeros（1,9）;v1=7;w=72*2*pi/60;
fori=1:
9
a0=0.5;b0=0.5;a1=0;b1=0;c（i）=16*pi*R/9/Clm/B/lam/（sqrt（4/9+lam*lam*r（i）*r（i）/R/R））;
sig（i）=B*c（i）/2/pi/r（i）;
while（abs（a1-a0）>=0.001|abs（b1-b0）>=0.001）
a0=a1;b0=b1;
x=atan（（1-a0）*v1/（1+b0）/w/r（i））;
F（i）=2/pi*acos（exp（-B*（R-r（i））/2/r（i）/sin（x）））;
n（i）=x-g;
Cn=Cl*cos（x）+Cd*sin（x）;
Ct=Cl*sin（x）-Cd*cos（x）;
ta=sig（i）*Cn/4/F（i）/sin（x）/sin（x）;tb=sig（i）*Ct/4/F（i）/sin（x）/cos（x）;
a1=ta/（1+ta）;b1=tb/（1-tb）;
end
a（1,i）=a1;b（1,i）=b1;jihe=jihe0*c（i）;plot（jihe（:
1）,jihe（:
2））;axisequal;holdon;
end
title（'不同截面处的翼型大小'）
holdoff
n=n*180/pi;
disp（'弦长分布矩阵：
'）,c
disp（'a矩阵'）,a
disp（'b矩阵:
'）,b
disp（'扭角矩阵：
'）,n
figure（3）,plot（r,c,'o-'）,axis（[0501.6]）,title（'弦长随叶高的分布'）,xlabel（'叶高'）,ylabel（'弦长'）
figure
（2）,plot（r,n,'o-'）,axis（[05035]）,title（'扭角随叶高的分布'）,xlabel（'叶高'）,ylabel（'扭角'）
figure（4）,plot（jihe0（:
1）,jihe0（:
2））,title（'s830翼型（单位弦长）'）,axisequal
2.气动数据图表
攻角
Cl
Cd
Cm
cl/cd
-5
0.039718
0.015793
-0.13543
2.514843
0
0.593782
0.015621
-0.15216
38.01259
5
1.078944
0.021647
-0.15333
49.84374
10
1.415442
0.039338
-0.14133
35.98126
12
1.519186
0.051391
-0.13692
29.56123
14
1.528304
0.073211
-0.1319
20.87531
16
1.497852
0.103856
-0.13126
14.42241
18
1.446413
0.14123
-0.1354
10.24151
20
1.371807
0.180991
-0.13988
7.579425
3.翼型图
4.数据总表
叶高/m
弦长/m
修正后弦长/m
诱导因子a
诱导因子b
扭角n/°
0.7398
1.0895
0.8114
0.3698
0.2755
28.8201
0.9864
0.9025
0.7342
0.2903
0.1515
25.1323
1.4796
0.6553
0.6214
0.2375
0.0636
19.2346
1.9728
0.5083
0.5083
0.2195
0.0344
14.5597
2.466
0.4134
0.4134
0.2112
0.0215
11.2285
2.9592
0.3477
0.3477
0.2084
0.0147
8.7679
3.4524
0.2997
0.2997
0.2108
0.0107
6.8701
3.9456
0.2632
0.2632
0.2245
0.0085
5.2678
4.4388
0.2345
0.2345
0.2812
0.0076
3.4969
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