风力发电机叶片设计

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1、风力发电机叶片的设计能源与环境的协调发展是实现国家现代化冃标的必要条件。随着全球气候变暖与化石能源的不断消耗及其对环境的影响问题，其他能源的开发越来越受到重视，如核能、地热能、风能、水能等新能源及生物质能、氢能的二次能源的开发应用也口益发展起來。而在这些新兴的能源种类中，核能的核废料处理相当困难,并且其□污染相比火电厂更为严重，同时需要相当严密的监管控制能力以防止其泄露而产生不可估量的破坏，国际上这些例子也是相当多的。而地热能的开发势必要依赖与高科技，在当今对地热开发利用还不完善的现状卜更是难以做到，并且其开发

2、对地表的影响也相当大。而风能则作为太阳能的转换形式z—,它是取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源，不产生任何有害气体和废料，不污染环境。海上，陆地可利用开发的可达2X10,0kW,远远高于地球水能的利用，风能的发展潜力巨大，前景广阔。自20世纪70年代小期以来，世界主要发达国家和一些发展屮国家都在加紧对风能的开发和利用，减少二氧化碳等温室气体的排放，保护人类赖以生存的地球。风力发电技术相对太阳能、生物质等可再生能源技术更为方便，成木更低，对环境破环更小，作为清洁能源的主要利用方式而飞速发展，且日益规模化。一、叶片

3、设计的意义在风力发电机中叶片的设计直接影响风能的转换效率，直接影响其年发电量,是风能利用的重要一环。本文主要是设计气动性能较好的翼型与叶片并进行气动分析。而翼型作为叶片的气动外形，直接影响叶片对风能的利用率。现在翼型的选择有很多种，FFA-W系列翼型的优点是在设计工况下具有较高的升力系数和升阻比，并且在非设计工况下具有良好的失速性能。叶片的气动设计方法主要有依据贝茨理论的简化设计方法，葛老渥方法与维尔森方法。简化的设计方法未考虑涡流损失等因素的影响，一般只用于初步的气动方案的设计过程；葛老渥方法则忽略了叶尖损失

4、与升阻比对叶片性能的影响，同时在非设计状态下的气动性能也并未考虑；维尔森方法则较为全面是现今常用的叶片气动外形设计方法。本文通过相关的叶片设计理论结合相关软件來设计并简单的优化叶片。叶片设计的要求不仅需要参考和选用设计标准，述应考虑风电机组的具体安装和使用情况。叶片的设计过程需要根据总体设计方案，并结合具体的技术要求,通过系统的启动设计和结构设计，实现设计目标。一般而论叶片设计可分为空气动力学设计阶段和结构设计阶段。启动设计阶段需要通过选择叶片几何最佳外形,实现年发电量最大的目标；结构设计阶段需要通过选择分析选

5、择叶片材料、结构形式和其他设计参数，实现叶片强度、刚度、稳定性以及动特性等目标，叶片基本设计流程如图1・1所示。一般情况下，设计需要首先从叶片的气动外形设计展开,然后再根据启动设计要求进行结构设计。设置初始参数图1-1叶片基本设计流程图但实际上，这种设计流程并不是绝对的，亦即叶片结构设计不能也不可能完全处于从属地位。从叶片总体设计开始，往往就需要从结构设计角度对气动方案提出修改意见，甚至不得不改变某些界面的气动外形，以获得叶片启动于结构性能的合理匹配。因此，优良的叶片设计是在各种性能关系合理平衡的过程屮形成的结

6、果。二、叶片类型确定翼型是风力机叶片相当重要的一•部分，它直接影响风轮的启动及接受风能的效率，以叶片翼型来区分，叶片可分为平板型、风帆型、扭曲型。其中平板型与风帆型是主要应用于低速风力机翼型，其主要特点是迎角是不变的，在整个叶片上都相同，所以其结构简单，易于制造且成木低。自然，其效率也不会高。而扭曲型的叶片就是叶片的翼型和安装角错误！未找到引用源。沿叶片长度不同，且由叶根至叶尖逐渐减少，做到使叶片各处都达到最佳迎角状态，以获得最佳升力来得到较高的风能接受效率，相对的，这类翼型叶片制造怵I难，成木较高。木文选择扭

7、曲型。在扭曲叶片中使叶片各处获得最佳迎角的同时不同的迎角处对应有不同的翼型弦长以获得各处相同的升阻比，即相同的气动特性以高效的利用风能。1叶片气动外形设计方法气动外形是风轮设计过程的主要任务，也是叶片结构设计基础性工作之一。其理论方法主要有简化设计方法、葛劳渥方法和维尔森方法。1.1简化设计方法所谓风轮叶片的简化设计方法，是基于动量■叶索理论，主要用于估算叶片距风轮轴线r处叶素截面产生的气动力，进而初步确定翼弦与叶片基木参数的关系。相关参数如图2・1所示。Jica«w«乂«*引0图2-1动量-叶素理论示意图根

8、据有关的动量■叶索理论的讨论，并根据贝茨极限取错误！未找到引用源。,得到风轮参数与风速的基木设计关系：Qr3Qr3.cot(p=——=———=—zr(2-1)52叫&BC±•9侶显R29式中，错误！未找到引用源。为叶片r处的速度比，错误！未找到引用源。；耳为流经风轮处的气流速度；错误！未找到引用源。为无穷远处的气流速度。由式可得：(2-2)f3.3〃COt0=—儿=2r2R通过上式可