风力机叶片设计和三维实体建模研究-论文.pdf

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1、16风力机叶片设计和三维实体建模研究2014年6月风力机叶片设计和三维实体建模研究王峥，顾桂梅，汪芳莉(兰州交通大学自动化与电气工程学院，兰州730070)摘要：叶片在风电机组中起着关键性的作用，在很大程度上决定了整机的性能。为使风电机组获得最大的气动效率，对动量-叶素理论进行了改进，研究了叶片设计的一般步骤和方法。为满足叶片的气动连续性要求，提出了放射线拟合法来实现叶片表面的光滑过渡。然后依据坐标变换原理将叶片翼型的二维坐标转变为空间三维坐标，最后通过ANSYS软件对叶片进行光滑三维实体建模，为叶片外形的进一步修正及分析奠

2、定了基础。关键词：风力机；叶片设计；实体建模中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：1003—0999(2014)06—0016—04随着各国的快速发展，对能源的需求也与日俱效率。大型风轮叶片很长且不同展向位置的气动要增，传统能源已13趋缺乏。因此风能以它独特的优求有别，因此，理论上叶片的各剖面应选择不同的翼势越来越受到人们的关注。同时风力发电技术日趋型。常用的翼型有NACA翼型系列、FFA．W翼型系成熟，对于调整能源结构、解决世界能源危机等方面列、SERI翼型系列、NREL翼型系列和DU翼型系列有重要意义¨J。叶片在

3、风力发电过程中起着关键等。根据以上设计，本文在根部选用NA．性的作用，在很大程度上决定了整机的性能，因此风CA64430翼型，叶尖处选用NACA4421、NACA4418、力机叶片的设计就显得尤为重要J。叶片的弦长NACA4412等翼型，另外为满足叶片的气动连续性要求，叶片沿叶展方向各截面相接部位采用过渡和扭角呈曲线变化，这使得其结构变得异常复杂，翼型。气动外形的设计也变得十分困难，一般的二维绘图1．3叶片过渡翼型的求取很难准确表达叶片的实际空间结构。为满足气动连续性要求，叶片厚度沿叶片长度本文针对上述情况，对2MW级水平轴

4、风机叶片方向要光滑过渡。常用的方法是通过MATLAB程进行气动外形设计。基于动量．叶素理论，考虑叶尖序语言以样条插值和曲线拟合法对风机叶片的离散损失的影响，对其进行修正，从而得出叶片各个截面数据进行连续化处理，可对不同翼型连接处进行过的弦长和扭角。然后对叶片翼型坐标点进行了离散渡修正。本文采用放射线拟合法求解过渡翼型，方坐标变换，将翼型的二维平面坐标转换为对应叶片法如下：以叶片相对半径0．2处的翼型截面向延长各截面的三维空间坐标，最后在放射线拟合叶片翼节(圆柱)过渡为例进行介绍，首先作该翼型和叶片型的基础上，应用ANSYS软

5、件对其进行光滑三维实延长节外圆的投影图，然后将风轮的旋转中心。作体建模。为顶点对外作若干条射线，每条射线分别与投影图相交，得到两个点，在这两个点之间取一点尸，最后l风力机叶片气动设计将射线上的所有P点连接起来就形成了一条封闭曲1．12MW风轮叶片设计参数线，即得到所求的过渡翼型截面的外缘。通过对P叶片：P=2000kW、U=3m／s、U。=25m／点位置的调整可使叶片的过渡部分变得光滑，以满s、A=8．5、D=93m、B=3、风轮中心高度H=80m。足设计要求。1．2叶片翼型的选取1．4叶片弦长和扭角的计算叶片在风电机组中起

6、着重要作用，叶片翼型的动量．叶素理论H假设各个环面内速度诱导性能直接影响着风能利用率进而影响整机的性能和因子均匀分布，即假设叶片为无穷多个，实际上叶片收稿日期：2014431-20基金项目：兰州交通大学科技支撑基金(ZC2012008)作者简介：王峥(1988．)，女，硕士研究生，主要研究方向为机械结构设计和强度振动分析，wangzhengl12602@126．eom。jlRIm4．j2014年第6期玻璃钢／复合材料17数量是有限的，叶片基元间气流相互作用的强弱取(2)由式(4)计算人流角西；决于气流与叶片间的接近程度。这就

7、导致了环面内(3)由式(5)计算攻角；诱导速度随时间是变化的，其结果是减少了功率的(4)从翼型数据表中读取升力系数c和阻力系输出。为了使动量一叶素理论更符合实际情况，数Cd；Prandtl在此基础上进行了改进，叶片所在处的轴向(5)由式(6)和式(7)计算系数c和C；诱导速度因子、气流人流角不变，环面内的平均轴向(6)a值小于或等于切点值时，由式(8)和式诱导速度因子用0(r)表示，F(r)为叶尖损失函数，(10)计算新的a和a的值；a值大于切点值时，由其近似解的表达式为：式(9)和式(10)计算新的a和a‘的值；(7)若新

8、的a和a值变化超过限制，重复(2)、F(r)=-三arccosIexp(一](3)两步，直到结果收敛。f=NR-r根据上述内容，可得到各叶素剖面的优化设计值，并可进一步求得修正后叶片各截面弦长和扭角，由动量-@素理论可得：如表1所示。1=4sin2~(c一c(1)一口一4sin。击y／表1