余辉2KW风力发电机组低风速叶片设计和分析讲解Word格式.docx

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风速变化大，很难用一种数学模型准确地描述。

对风速描述的方法：

以实测典型风的各种风速的频率曲线为基础，模拟风速的频率曲线，用概率统计的方法建立估算风速的数学表达式。

世界常用的估算风速的函数有两种：

（1）瑞利（Rayleigh）函数分布；

（2）威布尔（Weibull）函数分布。

3.3叶片基本设计方法

3.3.1风轮直径计算的五个模型

（1）模型一对给定的风力机，其风轮直径D为：

（3-1）

式中，

——风力机输出功率；

——风能利用系数；

——机械效率；

——空气密度，1.225

；

——额定风速；

（2）模型二对模型一进行简化得：

（3-2）

（3）模型三根据以往实践，对于现代高速风力机风轮直径D可粗略的估算为：

（3-3）

（4）模型四对于大型风力发电机，其风轮直径D可粗略的估算为：

（3-4）

模型二、三、四是在一的基础上做的某些简化，相比，模型一计算精度较高。

（5）模型五考虑温度、高度对空气密度的影响，水平轴风力发电机的风轮直径：

（3-5）

——单位换算系数；

——空气高度密度换算系数，不同海拔高度空气密度的修正系数；

——空气温度密度换算系数，不同温度时空气密度的修正系数；

——风力机总效率，风力机的总效率一般取

低速风力机取小值，高速风力机取大值；

一般设计时高速风力机取30％～50％。

3.3.2叶片相关设计参数确定

（1）尖速比

风轮的尖速比

是风轮的叶尖线速度和设计风速之比。

尖速比与风轮效率密切相关，在风力机没有超速的条件下，运转于高尖速比状态下的风力机具有较高的风轮效率。

尖速比-风能利用系数的影响情况如图3.1所示。

从性能曲线可知，不管叶尖速比高或低，风能利用系数都不是最优，只有在某个中间状态，才可达到最佳。

若风力发电机在整个运行区域内，都可保持在这个最佳叶尖速比状态，则风能利用效率就是最好的。

通常，高速风力机尖速比在6～８之间时，风力机具有较高的风能利用系数。

图3.1尖速比对风能利用系数的影响

（２）叶片数B

风轮的叶片数取决于叶片的尖速比

，风力发电的高速风力机一般取

＞5，性能更为优越的三叶片风力机的应用较为广泛。

贝茨理论和涡流理论基于无限叶片数，有限风力机叶片数B对风力机效率存在影响机理做了阐述，其方法应用于风力机时，在正常负载情况下，其风能利用系数与风洞试验结果接近。

（3）翼型

翼型的选取对风力机的效率十分重要，叶片通常由翼型系列组成。

较好的翼型应该是在某一攻角范围内升力系数

较高，而阻力系数

较小；

它所适应的雷诺数与风力机实际运行情况的雷诺数相近；

且具有较高的结构强度和良好的制造工艺性。

由于叶片根部各翼型力臂较小，对风力机风轮输出扭矩贡献不大，所以叶根对风力机性能影响较小，主要考虑加工方便和强度问题。

在尖部采用薄翼型以满足高升阻比的要求；

根部采用相同翼型或较大升力系数翼型的较厚形式，以满足结构强度的需要。

翼型数据选取步骤如下：

（1）选取雷诺数R，选取与风力机实际运行时的雷诺数相近的值；

（2）选取最佳攻角及升阻系数，选取相近雷诺数附近的最大升阻比所对应的角度作为攻角，再由攻角确定升力系数

和阻力系数

等特征值。

3.3.3叶展的葛劳渥（Glauert）设计模型

葛劳渥（Glauert）设计模型是考虑了风轮后涡流流动的叶素理论。

其设计模型有两种，一种未引入干扰系数，另一种则引入了干扰系数。

（1）模型一

中间参数计算：

（3-6）

弦长C：

（3-7）

安装角θ：

（3-8）

（2）模型二

风轮半径r处的叶素对风轮轴功率的贡献量为：

（3-9）

风能利用系数

：

（3-10）

求最大风能利用系数，即求式（3-13）的条件极值，通过运算可得到上式的极值条件为：

（3-11）

这样对应一个λ值就可以利用式（3-11）求得相应的轴向干扰系数a及切向干扰系数b的值。

通过以上各式可得

（3-12）

安装角

（3-13）

3.4具体2KW型风机叶片设计

3.4.1确定风轮直径D

本文选择风轮直径计算模型一，即式（3-1）计算风轮直径D：

式中，风能利用系数

发电机的机械效率

空气密度

设计风速

。

取风轮直径

3.4.2确定尖速比

由于通常，高速风力机尖速比在6～８时，风力机具有较高的风能利用系数，因此本文选取尖速比

3.4.3确定叶片数B

三叶片风机的运行和输出功率较为平稳，目前风机多采用三叶片，因此本文也将采用三叶片

3.4.4确定翼型

本文的翼型选取与翼型基本气动性能计算借助于Profili软件，Profili软件是专业进行翼型设计和分析的空气动力学分析设计软件。

该软件翼型库量大，且可根据需要设计新翼型；

其气动性分析以专业气动性分析软件XFOIL为基础，可针对不同需要从不同角度对现有翼型进行气动性分析，计算全面且精度高。

该软件的应用不仅简化了叶片设计的翼型选取环节，而且提高了翼型外形数据和气动性能数据的精度，进而提高了叶片设计精度。

由于各种翼型具有不同的安装角、升阻比、尖速比和叶片扭曲，因此，各种翼型的捕获风能的能力，抗弯强度，降噪能力等等各不尽同，而复合叶片可以综合几种翼型的优点，获得一种综合性能好的叶片。

所以本文采用风力发电机专用新翼型S822和S823翼型，将两者进行组合使用。

此类翼型具有更大升力系数以及更小的外形阻力，还具有对表面粗糙度不敏感的特性。

S822翼型形状如图3.2所示，其最大弯度16.01％在39.2％翼弦处，最大曲面1.89％在59.6％翼弦处，翼型前缘半径0.6452％，翼型后缘厚度为0。

图3.2S822翼型形状图3.3S823翼型形状

S823翼型形状如图3.3所示，其最大弯度21.14％在24.3％翼弦处，最大曲面2.51％在70.5％翼弦处，翼型前缘半径1.0749％，翼型后缘厚度为0。

（1）雷诺数的选取

由于叶片运行于10米左右的空间环境内，所以由Profili软件计算10米高空空气的雷诺数得

=500000。

（2）设计攻角及升阻系数

1、S822翼型的攻角及升阻系数

应用Profili软件对S822翼型数据进行分析得到图3.4和图3.5以及表3.1所示的结果：

图3.4S822升阻系数随攻角的变化情况

图3.5S822升阻比及力矩系数随攻角的变化情况

表3.1S822不同攻角下的各系数值表

S822——

=500000

Alfa

Cl

Cd

Cl/Cd

Cm

-8

-0.5187

0.0128

-40.5234

-0.0863

-7.5

-0.4818

0.0123

-39.1707

-0.0835

-7

-0.4447

0.0117

-38.0085

-0.0807

-6.5

-0.4042

0.0112

-36.0893

-0.0786

-6

-0.3586

0.0107

-33.514

-0.0772

-5

-0.2659

0.0099

-26.8586

-0.0747

-4.5

-0.2187

0.0095

-23.0211

-0.0735

-4

-0.1695

0.0092

-18.4239

-0.0727

-3.5

-0.1172

0.0089

-13.1685

-0.0723

-3

-0.0636

0.0087

-7.3103

-0.0721

-2

0.0429

0.0086

4.9884

-0.0716

-1.5

0.0974

11.3256

-0.0715

-1

0.1542

0.0085

18.1412

-0.0718

-0.5

0.2117

24.9059

-0.0722

0.267

30.6897

0.5

0.3204

36.8276

-0.0719

1.5

0.4353

51.2118

-0.0724

2

0.4876

57.3647

-0.0717

2.5

0.5411

0.0084

64.4167

-0.0712

3

0.5979

70.3412

-0.0714

4

0.6968

81.9765

-0.0686

5

0.7842

91.186

-0.0635

5.5

0.8213

92.2809

-0.0597

6

0.8404

0.0091

92.3516

-0.0521

6.5

0.8355

0.0098

85.2551

-0.0401

7

0.8217

0.0109

75.3853

-0.0272

7.5

0.8269

0.0121

68.3388

-0.019

8.5

0.8896

0.0154

57.7662

-0.0157

9

0.9094

0.017

53.4941

-0.0115

9.5

0.9333

0.0185

50.4486

-0.008

10

0.9568

0.02

47.84

-0.0045

10.5

0.9792

0.0217

45.1244

-0.0011

11

1.0059

0.0233

43.1717

0.0015

11.5

1.018

0.0258

39.4574

0.0056

12

1.0501

0.0271

38.7491

0.0073

12.5

1.0676

0.0294

36.3129

0.0102

13

1.076

0.0326

33.0061

0.0137

从如图3.5所示的曲线中可以大致知道，在攻角为6°

附近升阻比为最大。

由表3.1不同攻角下的升、阻力系数可知，S822翼型在攻角为6°

时具有最大的升阻比

/

=92.3516，此时升力系数

=0.8404，阻力系数

=0.0091。

2、S823翼型的攻角及升阻系数

应用Profili软件对S823翼型数据进行分析得到图3.6和图3.7以及表3.2的结果。

从如图3.7所示的曲线中可以大致知道，在攻角为7°

参见不同攻角下的升、阻力系数表3.2可知，S823翼型在攻角为7°

=85.5366，此时升力系数

=1.0521，阻力系数

=0.0123。

图3.6S823升阻系数随攻角的变化情况

图3.7S823升阻比及力矩系数随攻角的变化情况

表3.2S823不同攻角下的各系数值表

S823——

-0.3325

0.014

-23.75

-0.1276

-5.5

-0.2842

0.0134

-21.209

-0.1274

-0.2311

0.0132

-17.5076

-0.1765

0.0133

-13.2707

-0.1278

-0.1236

0.013

-9.5077

-0.0693

0.0125

-5.544

-0.1277

-0.013

-1.0744

-0.1279

-2.5

0.0415

3.547

0.1516

14.1682

-0.127

0.2074

19.3832

-0.1267

0.2644

24.7103

-0.1269

0.3213

0.0105

30.6

0.3777

35.2991

1

0.435

41.4286

0.4916

46.819

-0.1266

0.605

0.0106

57.0755

-0.1261

0.6597

0.0108

61.0833

-0.1255

3.5

0.7149

66.1944

-0.1249

0.7679

70.4495

-0.1238

4.5

0.8212

73.3214

-0.1228

0.8733

77.9732

-0.1216

0.9227

0.0115

80.2348

-0.1198

0.97

82.906

-0.1177

1.0157

0.0119

85.3529

-0.1152

1.0521

85.5366

-0.1111

1.0821

0.0129

83.8837

-0.1059

8

1.107

80.8029

-0.1

1.1227

0.0149

75.349

-0.0932

1.1357

0.0164

69.25

1.1464

0.0181

63.337

-0.0798

1.159

0.0199

58.2412

-0.0741

1.1737

0.0219

53.5936

-0.0692

1.1894

0.024

49.5583

-0.0651

1.201

0.0266

45.1504

-0.0611

1.2141

0.0292

41.5788

-0.0575

1.2295

0.0318

38.6635

-0.0544

3.4.5叶展形状设计计算

考虑到叶片需要与轮毂配合，同时要考虑翼型与连接部分的过度以及强度要求，叶片小于0.1倍直径R部分采用过度设计而不采用翼型。

叶片设计主要考虑0.2R～R采用翼型的部分，主要计算各个叶素的弦长C和安装角θ。

本文选择葛劳渥（Glauert）设计模型二来计算各个叶素的弦长C以及安装角θ。

为满足叶尖部分高升阻比，根部具有较高结构强度的要求，将叶片0.2R～R段沿叶展方向分成40段每段57mm，共计41个截面。

其中1～27截面采用较厚的S823翼型，28～41截面采用升阻比较大的S822翼型。

根据葛劳渥（Glauert）设计模型二，并通过运用工程计算软件Matlab进行编程计算得到各个叶素的弦长和安装角，并通过函数拟合来对其所得结果进行修正。

修正前后所得到的弦长和安装角如下表所示：

表3.3叶片设计参数列表

叶素

编号

半径

（mm）

轴向干扰系数

径向干扰系数

弦长C（mm）

（°

）

所选

翼型

修正前

修正后

0.2

570

0.3207

0.1335

479

473.8358

19.537

19.7539

S823

0.22

627

0.3224

0.1127

460

452.8934

17.7645

18.0325

0.26

741

0.325

0.0832

421

414.3379

14.7739

15.0037

0.28

798

0.326

0.0726

403

396.6582

13.5085

13.679

0.3

855

0.3268

0.0638

386

379.9993

12.3697

12.4695

0.36

1026

0.3286

0.0452

339

335.8132

9.5616

9.4554

0.38

1083

0.329

0.0408

326

322.9034

8.7881

8.631

0.42

1197

0.3298

0.0337

301

299.612

7.4296

7.2112

15

0.48

1368

0.3305

0.026

269

270.494

5.7654

5.5621

17

0.52

1482

0.3309

0.0223

252

254.5718

4.8475

4.7175

18

0.54

1539

0.3311

0.0207

243

247.5576

4.4349

4.3567

19

0.56

1596

0.3312

0.0193

236

241.1299

4.0493

4.0308

21

0.6

1710

0.3315

0.0168

222

229.9011

3.3494

3.4676

23

0.64

1824

0.3317

0.0148

209

220.6181

2.7311

2.9982

24

0.66

1881

0.3318

0.0139

203

216.6229

2.4482

2.7907

25

0.68

1938

0.3319

0.0131

198

213.0139

2.1811

2.5977

26

0.7

1995

0.332

0.0124

193

209.7578

1.9283

2.4168

30

0.78

2223

0.3322

0.01

218

199.5947

2.0409

1.7765

S822

31

0.8

2280

0.3323

213

197.6022

1.8455

1.6304

34

0.86

2451

0.3324

0.0083

199

192.4063

1.3119

1.2143

35

0.88

2508

0.