水平轴风力叶片设计及自动化建模.pdf

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1、第３１卷第３期能源技术Ｖｏｌ．３１Ｎｏ．３２０１０年６月ＥＮＥＲＧＹＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＪｕｎ．２０１０櫗毉櫗櫗櫗櫗櫗櫗毉櫗櫗毉清洁櫗能櫗源櫗与櫗新櫗能櫗源毉櫗水平轴风力机叶片设计及自动化建模刘小卡，竺晓程，杜朝辉（上海交通大学机械动力工程学院，上海２００２４０）摘要：根据葛劳涡理论模型和给定的设计目标参数，给出了小型水平轴风力机叶片的设计方案和叶片各层截面的空间坐标计算方法。为了提高风力机叶片三维建模的效率，利用ＵＧ二次开发技术开发了风力机叶片的自动三维建模程序，并介绍了一个算例。关键词：水平轴风力机；叶片设计；二次开发；三维建模中图分类号：

2、ＴＫ８３文献标志码：Ａ文章编号：１００５７４３９（２０１０）０３０１５５０４犜犺犲犅犾犪犱犲犇犲狊犻犵狀犪狀犱犃狌狋狅犿犪狋犻犮犕狅犱犲犾犻狀犵狅犳犎狅狉犻狕狅狀狋犪犾犃狓犻狊犠犻狀犱犜狌狉犫犻狀犲犔犐犝犡犻犪狅犽犪，犣犎犝犡犻犪狅犮犺犲狀犵，犇犝犣犺犪狅犺狌犻（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２４０，Ｃｈｉｎａ）犃犫狊狋狉犪犮狋：ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＧｌａｕｅｒｔｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅｂｌａｄｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅ

3、ｄｆｏｒｔｈｅｓｍａｌｌｓｃａｌｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌａｘｉｓｔｕｒｂｉｎｅａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｇｉｖｅｎｇｏａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅａｉｒｆｏｉｌｓｐａｔｉａｌｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｗａｓｇｉｖｅｎ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｄｔｈｅｓｏｕｒｃｅｄａｔａｆｏｒｔｈｅｂｌａｄｅ３Ｄｍｏｄｅｌｉｎｇ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＵＧｓｅｃｏｎｄａｒｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎａｕｔｏｍａｔｉｃ３Ｄｍｏｄｅｌｉｎｇｐｒｏｇｒａｍｍｅｗａｓｄｅｖｅｌｐｅｄ，ｗ

4、ｈｉｃｈｉｍｐｒｏｖｅｄｔｈｅｍｏｄｅｌｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌａｘｉｓｔｕｒｂｉｎｅ；ｂｌａｄｅｄｅｓｉｇｎ；ｓｅｃｏｎｄａｒｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ；３Ｄｍｏｄｅｌｉｎｇ风力机气动设计理论模型较多，这些模型在计确定各截面弦长和安装角。算过程都大量数据需要处理，特别是作为风力机系１．１风轮直径统关键的能量转化部件，为了达到较好的气动效果，在设计输出功率和风力机额定风速给定的条件一般风力机叶片的截面形状比较复杂，沿翼展方向下，可根据如下经验公式确定风轮直径：扭转角和弦长都发生变化，三维建模过程中的手动

5、犘＝０．２犇２犞３操作特别繁琐，容易出错，故叶片的三维建模实现自式中：犘为风轮输出功率，Ｗ；犇为风轮直径，ｍ；犞动化可以加快风力机气动的设计工作，具有十分重为风速，ｍ／ｓ。要应用价值。为了提高开发效率，本文在葛劳涡气１．２叶尖速比λ０和叶片数犅动理论模型基础上，根据给定水平轴风力机的设计不同用途的风力机有不同的叶尖速比要求，例目标参数，对某小型风力机叶片进行设计，并给出叶如风力发电机最好选择叶尖速比较高的快速风轮片各层截面的空间坐标计算方法，为叶片建模提供（λ０为５～８），如果风力机用于提水或加工谷物，则数据来源；同时还利用ＵＧ二次开发技术，自

6、动读取叶尖速比约为１～２。翼型的空间坐标数据文件，生成三维实体模型，为下叶片数犅的选择取决于叶尖速比的大小，表１一步的分析和研究提供便利。给出了不同叶尖速比和叶片数的选取关系。由于三叶片风力机转子质量分布均匀，故运行平稳，一般情１风力机叶片的设计况下选用较多。通常，风力机叶片的设计的主要任务是确定风表１叶尖速比和叶片数的对应关系轮直径犇和叶尖速比λ０，以及截面翼型、弦长犾和叶尖速比λ０１２３４大于５叶片安装角α等气动参数，一般先根据总体方案确定叶尖速比、叶轮直径，然后再根据气动理论模型来叶片数犅８～２４６～１２３～６２～４２～３·１５５·刘小卡

7、等：水平轴风力机叶片设计及自动化建模１．３叶片翼型叶片翼型的气动特性决定了风力机气动效率。选用翼型要球性能良好同时便于制造。早期的叶片设计采用的是技术成熟、升阻特性较好的传统航空翼型（如ＮＡＣＡ４４ＸＸ系列等），但实践表明这些翼型并不能很好满足风力机的使用要求，现在都采用［１］专为风力机设计的翼型，例如Ｓ８０９翼型，图１是该翼型的截面图，图２当雷诺数犚犲为０．７５×１０６时Ｓ８０９翼型的气动特性。图３风轮涡流系统ｄ犆ｐ速度因子犽函数。令＝０，可以解得最佳轴向速ｄ犽度因子犽的关系式：３２１－３犽＋４犽λ＝３犽－１最佳轴向速度因子犽和最佳周向速度因

8、子犺可以记为：２犽＝槡λ＋１ｃｏｓθ２１－犽犺＝１＋２图１Ｓ８０９翼型截面图槡λ其中：１－１πθ＝ｔｇλ＋３３同时，当地功率系数犆ｐ（犽）取最大值时沿