基于Matlab、SolidWorks的小型风机叶片设计二次开发.pdf

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1、4基于Matlab、SolidWorks的小型风机叶片设计二次开发2014年4月基于Maflab、SolidWorks的小型风机叶片设计二次开发张海英，祝水琴(宁波职业技术学院，浙江宁波315800)摘要：针对风力发电机叶轮设计复杂、造型困难的问题，根据Wilson法的设计流程，运用Wilson算法对15kW的风机叶片进行气动外形参数的计算，应用Matlab软件的fmincon最优化函数对叶片各叶素的弦长和扭角进行优化。开发了小型风机叶片气动外形设计的通用程序，将设计结果直接导入SolidWorks中，可自动生成叶片的三维实体模型，省去了大量的数据转换和存储过程，实现了叶片的高效、智能

2、化设计，解决了Matlab与SolidWorks之间的数据传输问题，提高了风机叶片设计和造型的精度、效率。关键词：风机叶片；Wilson算法；二次开发；优化设计中图分类号：TB332；TK83文献标识码：A文章编号：1003—0999(2014)04一OOO4—041引言取0．93。随着风能发电在世界范围内的高速发展，风能2．1风轮直径的确定发电成为目前最具规模化开发条件和商业化发展前风轮直径由下列公式估算：景的发电方式，同时也是我国未来数年内最具发展D=潜力的可再生清洁能源⋯。在风机发电过程中是由风机叶轮将风的动能转换为机械能和电能，所以对风机叶轮的设计极为重要，其中叶片的设计直接决

3、式中，P为额定功率，单位w；cD为风能利用系定了风能的转换效率，是风机叶轮的关键部件j。数；77为发电机效率；p为空气密度，单位kg／m；为为了达到最佳气动效果，所设计的叶片一般具有复设计风速，单位m／s。将基本设计参数代人式(1)杂的气动外形及扭曲曲面。这使得叶片设计存在步后得：骤繁琐、计算量大、实体建模困难等问题]J。D≈9m本文提出了一种将叶片的设计和造型结合起来的方法，运用Wilson算法对15kW的风机叶片进行气动外形参数的计算，应用Matlab软件的fmincon2．2确定尖速比和叶片数目风轮的尖速比是风机的一个重要设计参数，是最优化函数对叶片各叶素的弦长和扭角进行优化，开

4、发了小型风力机叶片气动外形设计的通用程序，风轮叶尖线速度与设计风速之比，因用于发电的水将设计结果直接导入SolidWorks中自动生成叶片的平轴风机一般为高速风机，其额定尖速比在6～8范围内时具有较高的风能利用系数，参考相关资料]，三维实体模型。以15kW风机叶片为例验证了方法的可行性选择额定叶尖速比为7．8。同时叶片的数目取决于叶尖速比，一般为2片或3片，由于3个叶片的风机2风机叶片气动外形基本参数的确定输出功率比较稳定，根据实际经验，大多数风机都选风机叶片气动外形的设计任务包括：确定风轮择3叶片风轮，因此选择叶片数目为3。直径D、叶片数目日，选择合适的翼型、计算各截面2．3选择翼型

5、的弦长c和扭角04j。叶片的本身参数有：额定功翼型的好坏直接影响风机发电的效率，应尽量率P=15kW；设计风速=lOm／s；空气密度P=选择升阻比较大的翼型j，同时还要考虑雷诺数的1．225kg／ITI；风能利用系数C。=0．45；发电机效率77影响以及制造的工艺性等问题。对于中小型风机而收稿日期：2013~9-27作者简介：张海英(1978-)，女，硕士，讲师，主要从事机械机构设计方面的研究，haiying974@163．con。F】，／CM--2014．P42014年第4期玻璃钢／复合材料5言，整个叶片可以选择同一个翼型，并对其相对厚度Naca软件直接导出，所得到的数据都是相对于弦

6、长修正，在此选择Naca63415作为15kW叶片的设计的百分比，所以计算中还要乘以实际弦长。该二翼型。维坐标以翼型前缘为原点，叶弦方向为轴，而空间2．4Wilson法优化计算叶片弦长C和扭角0坐标系则以r=0的叶素平面为XOY平面，以气动中风机叶片气动外形优化设计也就是将弦长和扭心为坐标原点，叶弦从后缘到前缘的方向为轴正角通过一定的方法进行优化计算，使得叶片获得最向，垂直于叶弦指向上弦为y轴正向，z轴正向是沿大的风能利用系数。本文采用比较先进的Wilson叶展的方向。设原始翼型的基准弦长为C(一法，它是建立在叶素理论基础上的，即将叶片沿展向般为100)，气动中心距离翼型后缘的距离为1

7、／3C，分为若干叶素j，设计每个叶素的弦长c和扭角0每一个叶素离散点坐标转换的过程如下¨：最终使每个叶素的风能利用系数c。达到最大值。2．4．1确定目标函数风能利用系数是反映风力发电机中自然风中捕获风能程度的系数，考虑到梢部损失对功率的影响，图1叶片各截面空间坐标转换原理图叶片局部最佳风能利用系数可根据下式确定J：dP8／J=x。一寺c。(6)dA—AoFb(1—0)A【yl=‘式中，a为轴向干扰因子；b为切向干扰因子；F当X<0时：为梢部损失