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风力机课程设计

一种简单叶片的设计过程

Hank

一、设计任务

1）基于叶素和动量理论设计设计水平轴风力机叶片；

2）绘制风力机叶片弦长随叶片展向长度的变化曲线；

3）绘制风力机叶片扭角随叶片展向长度的变化曲线；

4）绘制设计风力机的性能曲线；

5）绘制设计叶片的图纸，以及各位置的叶片翼型结构图纸；

6）编写设计说明书，并附上必要的计算公式

二、常用符号

Pd 设计功率

U∞设计风速

W 合成流度

ω风轮旋转角速度

ρ空气密度

c 弦长

λ叶尖速比

D 风轮直径

R 风轮半径

σ叶片弦长实度

r

φ

叶素倾角

β

叶素安装角

α叶素攻角

Cl 升力系数

Cd 阻力系数

M 总力矩

P 总功率

Cp 风能利用系数

a 轴向诱导因子

b 切向诱导因子

三、基础理论

切向速度： (1-1) 轴向速度：

(1-2)

叶素合成流速:

(1-3) 入流角：(1)

sin U a W

φ∞-=

(1-4a)

(1)

cos 2r b a

ωφ+=

(1-4b) 攻角：φα=-β

(1-5) 垂直分力系数：sin cos y l d C C C φφ=- (1-6) 水平分力系数：cos sin x l d C C C φφ=+

(1-7) 迭代方程：2

2214sin 4sin r r x y a C C a φφσσ=(-)-

(1-8)

14sin cos r y

b C b φφσ=

+

(1-9)

叶片弦长实度： 22r N c N c

R R σ=

=

ππμ

(1-10)

叶素单位圆环扇面：24()(1)M U r b a r r ωδ∞δ=πρ-

(1-11)

风能利用系数表达式： 321

2p P

C U R ρ∞=

π

(1-12)

翼型与尖速比的关系：2r l C σλ=

(1-13)

0(1b)

y V r ω=+0(1)x V U a ∞=

-

W ==

风轮直径设计：D=(1-14)

四、设计流程图

设计参数：

10/U m s ∞= 6λ= 100d P kW =, 给定 p C = 0.44

图 1-1a 叶片设计流程图

图 1-1b 叶片设计流程图

五、计算说明书

1. 估算D 、R 、ω

根据公式（1-14），带入数据可得：

21.157D m =

/210.578R D m ==

5.672/U rad s R

λω∞

=

2/6054.164/min n r πω==

2. 翼型及其气动特性的确定

选择翼型NACA4415，其最佳攻角及此时的l C 、d C 如下：

06α=

1.1119l C = 0.0109d C =

表1-1 Polars of NACA4415

拟合出l C 、d C 关于α的曲线如下

32= -0.00016097 - 0.00060958 + 0.11374+0.48717l C ααα

(1-15)

6352= -5.85710 + 8.147910 - 0.000333840.0081917 d C ααα--⨯⨯+

(1-16)

3. 弦长分布的确定

根据经验公式有：

169l c C N π

λμ

=

对其进行修正如下：

0.416/9l c R C N π

μλμ

=

(0.8)c ≤ (1-17) 3/0.0540.6050.0303c R μμ=-++

(0.8)c ≤

(1-18)

M/μ分布曲线4.迭代求解a、b、β、d d

过程如下：

图1-2 方程迭代流程图