基于 Qblade 和 Matlab 的风力机叶片设计与气动性能分析.pdf

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1、第４３卷第４期化工机械４６７基于Ｑｂｌａｄｅ和Ｍａｔｌａｂ的风力机叶片设计与*气动性能分析肖云峰**１高鹏远２张志莲１吕涛１周秀博２（１．北京石油化工学院机械工程学院；２．北京化工大学机电工程学院）摘要首先使用Ｑｂｌａｄｅ计算翼型的气动参数，将数据进行处理后，利用Ｗｉｌｓｏｎ设计模型，结合Ｍａｔｌａｂ编程软件对某小型风力机叶片进行设计。再基于叶素动量理论，利用Ｑｂｌａｄｅ对所设计的叶片进行气动性能计算，并根据ｗｅｉｂｕｌｌ风速分布模型计算风力机的性能。计算结果表明：编写的程序正确，Ｑｂｌａｄｅ风力机性能计算软件能正确反映叶片气动模型，并在保证计算结果准确的同时节省风力机叶片设计前期计算

2、的时间。关键词风力机叶片设计叶素动量理论Ｗｉｌｓｏｎ模型Ｑｂｌａｄｅ软件气动性能计算中图分类号ＴＱ０５０．２文献标识码Ａ文章编号０２５４-６０９４（２０１６）０４-０４６７-０５目前在石油、煤炭等传统能源短缺的环境下，所花费的时间也是不同的。而笔者所使用的基于世界各国均将目光投向新能源领域。近年来，风叶素动量理论的包含叶片气动性能计算、转子叶能备受关注，我国已经建立了多个大型风电片性能和风力机性能计算的Ｑｂｌａｄｅ软件在对风［１］场。风力机叶片是风力机将风能转化为机械力机叶片进行评价的过程中能提高效率，因此笔能的核心部件，叶片参数直接影响风力发电机的者利用Ｍａｔｌａｂ和Ｑｂｌａｄｅ软件

3、分别对叶片进行外整体效率，因此叶片设计是风力机的首要部形设计和气动性能计算。［２］分。风力机叶片设计分为气动设计和结构设１理论基础［３］计两大部分，其中气动设计包括气动外形设计１．１叶素动量理论和气动性能计算两部分。目前，国内外学者针对当前国内外计算风力机叶片气动性能的理论叶片外形设计一般采用叶片外形设计理论结合有贝茨理论、动量理论、叶素理论及叶素动量理［４，５］［７，８］Ｍａｔｌａｂ软件的方法。气动性能计算为气动设论等。其中，叶素动量理论结合了动量理论计结果提供评价和反馈，并为叶片的结构设计提和叶素理论，能够计算出风轮扫掠面中的迭代变供气动载荷等原始数据。气动性能计算的准确性量轴向诱

4、导因子ａ和周向诱导因子ｂ。如图１所关系到叶片的气动性能和结构安全。气动性能计算的方法主要有：基于叶素动量理论建立气动计算模型、基于涡流理论的涡尾迹方法和ＣＦＤ方［６］法。其中叶素动量理论使用最多，叶素动量方法最主要的优点在于既能保证计算结果准确性，又能节省计算时间。国内外学者在使用叶素动量方法进行气动计算时，大都通过编程的方式进行，图１叶素动量理论单元流管模型由于个人水平的不同，所编程序的准确性和编程*北京石油化工学院优秀青年教师培育计划项目（０８０３１８６２００８／０３８）。**肖云峰，男，１９７６年１０月生，副教授。北京市，１０２６１７。４６８化工机械２０１６年示，风轮流动模型简化

5、为一个理想的单元流管，并８３ｄＣ＝ｂ（１－ａ）Ｆλｄλ（１２）ｐ２ｒλ将它离散成Ｎ个高度为ｄｒ的环形单元，单元之间在满足能量方程的前提下，用迭代法计算诱没有流动。导因子ａ、ｂ，再根据式（１２）求出ｄＣ的最大值。由动量理论可得到作用在ｄｒ微段上的推力ｐ将求得的ａ、ｂ和相应的Ｆ代入诱导因子关系式，ｄＴ和扭矩ｄＭ：２可得弦长Ｃ和安装角β的关系式：ｄＴ＝４πρＶａ（１－ａ）ｒｄｒ（１）１ＢＣＣ２３ｌ（１－ａＦ）ａＦ８πｓｉｎｄＭ＝４πρＶ１ｂ（１－ａ）ｒｄｒ（２）＝·（１３）ｒ２ｃｏｓ（１－ａ）通过叶素理论可以得到作用在ｄｒ微段上的Ｖ（１－ａ）（１－ａ）１推力ｄＴ与扭矩ｄＭ：ｔａｎβ＝Ωｒ

6、（１＋ｂ）＝（１＋ｂ）λ（１４）ｄＴ＝１ＢρＣＶ２Ｃｄｒ（３）叶片设计流程如下：根据叶素理论，将叶片沿０ｐｎ２径向平均分成若干等份，称为叶素；针对每一个叶１２ｄＭ＝ＢρＣＶＣｒｄｒ（４）２０ｐｒ素，求解以式（９）为目标函数、以式（１０）为条件函由于叶素理论和动量理论得出的推力和扭矩数的最优化问题，得出每一截面的ａ、ｂ和Ｆ，进而分别相等，并结合速度三角形可得：得出式（１２）～（１４）。ａＢＣＣｐｎ１．３风速函数＝（５）１－ａ２８πｒｓｉｎ由于风速变化范围大，难以用准确的数学模ｂ＝ＢＣＣｐｔ（６）型加以描述，因此常用概率分布模型来表示，１－ｂ２８πｒｓｉｎｗｅｉｂｕｌｌ函数分布形式简单

7、，并且能较好地模拟实１．２叶片设计理论际风速分布，被认为是风能分析的有效工具。翼型气动特性决定了整个转子叶片的气动特［１０］ｗｅｉｂｕｌｌ分布模型的风速概率密度分布函数为：［９］性，在选取二维翼型之后，对叶片进行优化设ＫＶＫ－１－（Ｖ）Ｋｆ（Ｖ）＝（）ｅＣｈ（１５）计，然后适当修正设计结果，得出桨叶的弦长ＣＣＣｈｈ和安装角β分布。目前，常用的叶片设计模型有式中Ｃｈ———尺寸参数，ｍ；Ｇｌａｕｅｒｔ模型和Ｗｉｌｓｏｎ模型，其理论模型相当成Ｋ———