低风速条件下风力机叶片翼型气动性能对比及分析

合集下载

低风速风力发电机的性能分析和提升方法

低风速风力发电机的性能分析和提升方法随着全球对可再生能源的需求不断增加，风力发电作为其中的一种重要形式，受到了广泛关注。

然而，传统的风力发电机在低风速条件下的发电效率较低，限制了其在低风速环境下的应用。

因此，对低风速风力发电机的性能分析和提升方法的研究具有重要意义。

1. 低风速风力发电机的性能分析低风速条件下的风力发电机受限于风能的可利用性，因此提高低风速条件下的发电效率对于降低成本和提高可再生能源利用率至关重要。

对于低风速风力发电机的性能分析，主要包括以下几个方面：1.1 风能捕捉率分析风能捕捉率是评价风力发电机性能的重要指标之一。

低风速条件下，应通过分析风力对风力发电机叶片的作用，确定最佳叶片设计及调整风机运行控制策略，以提高风能捕捉率。

1.2 发电效率分析发电效率是评价风力发电机的另一个重要指标。

发电效率受多种因素影响，包括风机损耗、传动机构损耗、叶片设计等。

通过对发电效率的分析，可以确定性能瓶颈，并提出相应的改进措施。

1.3 噪音与振动分析噪音和振动是低风速风力发电机面临的其他问题。

噪音对周围环境和人体健康带来不利影响，振动则可能影响发电机的运行稳定性。

因此，对噪音和振动进行分析，并采取相应的措施减少噪音和振动是提高低风速风力发电机性能的重要途径。

2. 低风速风力发电机的性能提升方法为了提高低风速风力发电机的性能，在发电效率、风能捕捉率和噪音振动等方面，可以采取以下几种方法：2.1 改进叶片设计叶片是低风速风力发电机的核心组件，其设计直接影响风力发电机的性能。

对于低风速条件下的发电机，应以提高风能捕捉率为目标进行叶片设计。

一种常见的方法是采用大弯度、大面积的叶片设计，以增加叶片与风之间的接触面积，提高风能捕捉效率。

2.2 优化发电机控制策略合理的发电机控制策略可以提高低风速条件下的发电效率。

根据风速变化进行实时调整，使风力发电机在低风速条件下保持较高的发电效率。

同时，合理的控制策略也可以减少风力发电机的噪音和振动。

低风速环境下风力发电叶片的结构优化设计

低风速环境下风力发电叶片的结构优化设计在低风速环境下，风力发电叶片的结构优化设计是提高风力发电效率的关键。

优化设计旨在增强叶片的捕获风能能力，提高转速和产生的能量。

这篇文章将介绍低风速环境下风力发电叶片的结构优化设计的重要性，并提供一些具体的优化设计方法和技术。

1. 引言风力发电已成为世界各地的重要可再生能源之一。

然而，在低风速环境下，风力发电的效益相对较低。

因此，优化设计风力发电叶片的结构对于提高风力发电系统的性能至关重要。

2. 低风速环境的挑战低风速环境下，风力发电叶片面临几个挑战。

首先，低风速条件下叶片的捕获风能能力较低，导致发电效率低下。

其次，由于低风速无法提供足够的动力，叶片转速较低，这也限制了发电量的增加。

最后，由于低风速条件下，风力发电叶片受到较小的载荷作用，因此容易产生振动和损坏。

3. 结构优化设计方法结构优化设计方法可以帮助改善低风速环境下风力发电叶片的性能。

以下是一些常见的优化设计方法：3.1 叶片材料选择选择适合低风速环境的材料对于叶片的性能至关重要。

通常情况下，轻质材料和具有高强度的复合材料可以显著提高叶片的强度和刚度，从而减少振动和损坏的风险。

3.2 叶片轮廓设计叶片轮廓设计是优化风力发电叶片结构的关键步骤。

通过采用合适的空气动力学轮廓，可以提高叶片的捕获效率和产生的动力。

常见的轮廓设计方法包括NACA（National Advisory Committee for Aeronautics）轮廓和三维曲线设计等。

3.3 流场分析流场分析是优化设计风力发电叶片的重要步骤。

通过数值模拟和计算流体力学（CFD）分析，可以确定叶片表面的压力分布和风阻力，进而优化叶片的设计参数。

这些分析结果可以帮助改良叶片形状，减小风阻力，提高发电效率。

3.4 结构优化算法结构优化算法可用于风力发电叶片的优化设计。

例如，遗传算法和粒子群算法等智能优化算法可以根据给定的目标函数和约束条件，搜索最佳解决方案。

2KW风力发电机组低风速叶片设计和分析报告

课程：空气动力学2KW风力发电机组低风速叶片设计与分析姓名：余辉学号：201580812008指导教师：傅彩明2016年01月05日2KW风力发电机组低风速叶片设计与分析一.课题研究的背景和意义1941年，美国把蒙特研制的第一台风力发电机开启了风力发电；此后，大型风力涡轮发电机促进了风力发电；如今,世界许多国家都安装了超大型风力发电机进行风力发电，促进风力发电长远发展。

近年来全球的风力发电发展很快，装机容量的年平均增长率超过了30%风能是一种技术比较成熟、很有开发利用前景的可再生能源之一。

开发利用风能对世界各国科技工作者具有极强的魅力，从而唤起了世界众多学者致力于风能利用方面的研究。

本文将对风力发电基本原理和具体2KW风机叶片设计进行论述。

目前，全球都面临着能源枯竭、环境恶化、气温升高等问题，日益增长的能源需求、能源安全问题受到世界各国广泛关注。

风能具有可再生、资源广、安全、清洁、无燃料风险等优势，因此，世界各国都在加快风力发电技术的研究，以缓解越来越重的能源和环境压力。

中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，提供电力的能源消费是以煤炭为主，燃煤发电量占总发电量的80%但是，能为人类所用的石化资源是有限的，据第二届环太平洋煤炭会议资料介绍，若不趁早调整以石化能源为主体的能源结构，终将导致有限的石化能源趋于枯竭，人类生态环境质量下降的恶性循环，不利于经济、能源、环境的协调发展。

二.风力发电机的设计理论风力发电是通过捕风装置的风轮将风能装换成机械能，再将机械能转换成电能的过程，因此构成风轮的翼型的结构性能直接影响着分风能的转换效率。

本章介绍风力机翼型的几何结构、空气动力学基础概念及基础理论，为下文的叶片分析设计奠基础。

2.1风力机的基本概念（1）风力机的基本概念和参数风轮叶片的几何形状不同，则空气动力特性也不同。

为了设计风机，必须对风机的有关的概念和术语加以理解，例如，风轮、叶片、叶片旋转平面、风轮直径、叶尖速比等，而翼型外形由翼的前后缘、弦、中弧线、翼的上下表面、叶片安装角、攻角、来流角、最大厚度及最大相对厚度、弯度与弯度分布等参数决定。

低风速风力发电系统中叶片设计与气动噪声控制研究

低风速风力发电系统中叶片设计与气动噪声控制研究随着对可再生能源的需求不断增长，风力发电成为一种重要的清洁能源来源。

然而，在低风速环境下，传统的风力发电系统往往效率较低，这就需要我们对低风速风力发电系统中的叶片设计和气动噪声进行研究与改进。

首先，针对低风速风力发电系统中的叶片设计，我们需要考虑以下几个方面。

首先是叶片的长度与角度的选择。

由于低风速下风能相对较低，叶片的长度应适中，既能够捕获足够的风能，又能保持叶片的结构强度。

叶片的角度应根据风速变化进行自适应调整，以保持最佳的风能捕获效率。

其次是叶片的材料选择，应选择轻质耐用的材料，以降低叶片的自重和降低系统的启动风速。

最后是叶片的轮毂连接方式和叶片形状设计。

合适的连接方式和优化的叶片形状能够提高整个系统的稳定性和效率。

在叶片设计的基础上，对低风速风力发电系统中的气动噪声进行控制也是十分重要的。

气动噪声是由气流与叶片或其他各种结构件的相互作用造成的，严重影响了系统的可接受性和运行效率。

为了控制气动噪声，我们可以采取以下几种方法。

首先是通过优化叶片的形状和表面质量来降低噪声产生的机理。

例如，通过减小叶片翼型表面的凹凸和分离区域，减少湍流的生成，从而降低噪声的产生。

其次是通过合理的叶片布局和安装角度，减少气动噪声的传播。

通过调整叶片的位置和安装角度，可以减少叶片与结构件之间的相互作用，降低气动噪声的辐射。

最后是通过采用降噪材料和结构的方法来抑制噪声传播。

例如，可以在风力发电系统的周围设置隔音墙或使用吸音材料来减少噪声的传播。

此外，通过合理的系统设计和控制策略也可以进一步提高低风速风力发电系统的效率和降低噪声。

例如，我们可以采用变桨角、变流量等控制策略来优化风能的捕获。

通过对不同工况和风速的建模和优化，可以使系统在不同的风速下都能获得较高的效率。

另外，合理的系统布局和降低系统的振动也可以减少噪声的产生。

通过选择合适的支撑结构和减振装置，可以降低系统的振动和噪声。

风力机叶片设计及翼型气动性能分析

风力机叶片设计及翼型气动性能分析风力机叶片是风力发电机的核心部件之一，其设计和翼型选择对风力机的发电效率、噪音和寿命等都有着非常重要的影响。

本文将介绍风力机叶片的设计及翼型气动性能分析。

一、叶片设计原理风力机叶片的设计目的是将大气中的风能转换成旋转能，并将其通过转轴传递给发电机，从而产生电能。

因此，叶片的设计主要围绕以下几点展开：1. 创造足够的扭矩：风力机的转子需要达到一定的转速才能发电，而叶片的弯曲和扭矩对于旋转速度的影响至关重要。

设计中需要选择合适的曲线形状和长度来实现理想的扭矩和转速。

2. 保证叶片的强度和稳定性：因叶片在高速旋转状态下会受到巨大的惯性力和风力力矩的作用，因此其材料和结构要足够坚固和稳定，以避免可能的断裂等事故。

3. 提高叶片的气动效率：叶片的气动效率是指其转化风能的能力，通常可以通过优化翼型、减小阻力、降低风阻等方法来提高。

二、叶片设计步骤1. 选定叶片长度：叶片长度通常是根据风力机的规格和性能要求来确定的，也可以根据标准长度来选择。

2. 选择翼型：翼型是叶片的重要组成部分，其形状和性能决定了叶片的阻力和气动效率。

目前，常用的翼型有NACA0012、NACA4415等，根据实际需求来选择。

3. 确定叶片曲线：叶片的曲线是决定扭矩和转速的关键因素，可以通过实验或模拟方法得到合适的曲线形状。

4. 优化叶片的结构：结构设计主要涉及到叶片的强度和稳定性，通常需要进行材料选择、计算等工作以保证叶片的安全性和寿命。

5. 模拟叶片气动特性：叶片的气动特性可以通过流场模拟、试验等方式来获取，可以根据实际需求来对叶片进行调整以达到理想的效果。

三、翼型气动性能分析翼型气动性能是指翼型在气流中运动时产生的力和力矩，其中，升力和阻力是翼型气动力的主要组成部分。

通过分析翼型气动性能，可以选择最优化的翼型来设计叶片。

1. 升力和阻力翼型的升力和阻力是由翼型形状、气流速度、攻角等因素共同决定的。

实际上，翼型的气动性能曲线通常都是非线性的，其升力和阻力特性会随着攻角的变化而不断变化。

风力发电机组叶片的气动性能分析

风力发电机组叶片的气动性能分析近年来，随着环境保护意识的增强和可再生能源的迅速发展，风力发电成为了重要的清洁能源之一。

而风力发电机组的叶片作为其中的关键组成部分，其气动性能的分析对于提高发电效率具有重要意义。

本文将重点探讨风力发电机组叶片的气动性能分析，并深入研究其原理和影响因素。

一、气动性能分析的原理风力发电机组叶片的气动性能分析是通过计算机辅助工程（CAE）软件来模拟和预测叶片在风场中的响应。

其中，主要采用的方法是数值模拟和风洞试验。

数值模拟方法基于流体力学和数学模型，通过模拟风场中的流体流动，计算叶片表面的压力分布、力矩和阻力等参数，以评估叶片的性能。

而风洞试验则是通过实验室环境中的风流模拟真实的风场，通过测量叶片表面压力分布和受力情况，来推导叶片的性能参数。

二、气动性能影响因素分析风力发电机组叶片的气动性能受多种因素的影响，以下将分别介绍其主要影响因素：1. 叶片形状：叶片的外形和轮廓对气动性能有着重要影响。

一般来说，采用更长、更窄的叶片可以提高效率，但是也会增加叶片的结构复杂度和重量。

同时，叶片的翼型横截面的选择也会对性能产生显著影响。

2. 叶片材料：叶片的材料选择直接关系到其强度和重量。

常见的叶片材料包括复合材料、纤维增强塑料等。

合适的材料选择可以在保证叶片强度的同时减轻重量，提高风能利用率。

3. 叶片倾角：叶片倾角对叶片的气动性能也有关键影响。

适当调整叶片倾角可以改变叶片的攻角，实现更好的气动特性，并提高发电效率。

4. 风场条件：风的速度、方向和湍流强度等也是影响叶片气动性能的重要因素。

不同的风场条件需要针对性地进行叶片设计，以获得最佳的气动性能。

三、气动性能分析技术应用风力发电机组叶片的气动性能分析技术广泛应用于叶片设计、优化和性能评估等方面。

1. 叶片设计和优化：基于气动性能分析的数值模拟方法，可以对叶片进行自动化设计和优化，以满足预定的要求和目标。

通过模拟和优化，可以寻找最佳的叶片形状、翼型和倾角等，实现更高效率的风能转化。

低风速环境下风力发电叶片的减振技术研究

低风速环境下风力发电叶片的减振技术研究近年来，风力发电作为一种清洁可再生能源形式，备受关注。

然而，在低风速环境下，风力发电叶片的振动问题却是困扰着该行业的一个重要技术挑战。

本文将围绕着低风速环境下风力发电叶片的减振技术展开研究。

在理解低风速环境下风力发电叶片的振动问题之前，首先来看一下低风速条件对风力发电系统的影响。

低风速条件下，风力发电系统的发电效率明显降低，这主要是由于风能的转化效率受到限制。

而风力发电叶片的振动问题在一定程度上影响了发电效率的提升。

风力发电叶片的振动主要分为结构振动和气动振动两个方面。

结构振动是指风力发电叶片在受到激励力作用下发生振动，而气动振动则是受到气流在叶片表面产生的压力差引起的振动。

这两种振动都会导致叶片的疲劳破坏，降低其使用寿命。

为了减少低风速环境下风力发电叶片的振动问题，可以采取以下几种减振技术。

第一，采用叶片造型优化设计。

通过对叶片的形状、弯曲度等参数进行优化，可以减小叶片在低风速环境下的振动。

例如，采用扇形叶片或弯曲叶片可以减少气动压力差，降低振动产生的激励力。

第二，引入智能材料减振技术。

智能材料具有自适应性、传感性和控制性能，可以根据外界激励对其进行响应和调节。

通过在风力发电叶片中嵌入智能材料，可以实现叶片的主动控制和减振。

例如，采用压电陶瓷材料和光纤传感器等智能材料，可以实时监测叶片的振动状态，并通过控制系统对叶片进行调节，降低振动幅度。

第三，采用减振装置。

减振装置可以通过吸收、隔离或者改变振动的传递路径来减少叶片振动。

例如，采用液压减振器、弹簧减振器或者振动吸收材料等装置可以有效降低叶片振动对风力发电机组的影响。

第四，增加材料的刚度和强度。

通过采用高强度材料或者增加叶片的刚度，可以有效降低低风速环境下叶片的振动。

例如，采用碳纤维复合材料可以提高叶片的刚度和强度，减少振动引起的损伤。

最后，还可以通过模型试验和仿真分析来评估和优化减振技术。

通过在实验室或者风洞中制作叶片模型，进行振动测试和分析，可以验证减振技术的有效性和可行性。

低风速环境下风力发电叶片的动态特性分析与优化设计

低风速环境下风力发电叶片的动态特性分析与优化设计1. 引言随着环境保护意识的增强和可再生能源的重要性日益凸显，风力发电作为一种清洁、可持续的能源形式得到了广泛发展。

在风力发电系统中，风力发电叶片作为最核心的组成部分，起着将风能转化为机械能的关键作用。

本文将针对低风速环境下风力发电叶片的动态特性进行分析与优化设计。

2. 低风速环境下风力发电叶片的动态特性分析低风速环境下，叶片所受到的风力较弱，这对风力发电系统的效率和稳定性提出了更高的要求。

为了准确分析低风速环境下风力发电叶片的动态特性，我们可以采用数值模拟方法，如计算流体力学（CFD）仿真。

首先，我们需要建立一个准确的数学模型，包括叶片的几何形状、材料特性、风速分布等。

然后，利用CFD软件对风力发电叶片进行流场仿真，得到叶片表面的压力分布、气动力、风速分布等相关数据。

通过对这些数据的分析，可以得到低风速环境下叶片的气动特性和动态响应性能。

在分析低风速环境下风力发电叶片的动态特性时，需要考虑以下几个方面：2.1 风速分布对叶片的影响低风速环境下，风速分布不均匀是一个普遍存在的问题。

在动态特性分析中，我们需要关注风速的峰值、起始时间、持续时间等参数。

通过对风速分布的分析，可以确定叶片在不同时刻所受到的风力大小和方向，进而研究叶片的振动特性、变形情况等。

2.2 叶片质量与刚度对动态特性的影响低风速环境下，叶片的质量和刚度对其动态响应有重要影响。

质量分布不均匀和刚度不足会导致叶片的振动和形变过大，从而影响风力发电系统的工作效率和寿命。

因此，在优化设计叶片时，需要合理分配叶片的质量，并提高其刚度。

2.3 流态特性对叶片的影响低风速环境下，流态特性对风力发电叶片的动态特性有显著影响。

流场的湍流程度、流速梯度等因素决定了叶片表面的压力分布和气动力大小。

因此，优化叶片的流态特性可以提高叶片的功率输出和稳定性。

3. 风力发电叶片的优化设计基于对低风速环境下风力发电叶片动态特性的分析，我们可以进行优化设计，以提高风力发电系统的效率和稳定性。

改进型翼型在不同风速下的气动特性分析

改进型翼型在不同风速下的气动特性分析翼型是固定翼飞行器最关键的组成部分之一，它的气动特性直接影响着固定翼飞行器的性能。

在不同的飞行速度下，翼型受到的气动力和力矩的大小和方向会发生很大的变化。

因此，对于改进型翼型在不同风速下的气动特性进行分析，对于固定翼飞行器的性能改进和设计优化具有重要意义。

一、翼型结构及参数改进型翼型是在传统翼型基础上进行优化和改进，以达到更好的气动特性和性能。

翼型的结构和参数是影响气动特性的重要因素。

常用的翼型参数包括弓度、厚度、对称面与弧线的交点位置和角度、马赫数等。

以NACA 4415翼型为例，其弓度为0.4，厚度为15%，对称面与弧线的交点位于40%处，角度为0度。

与传统翼型相比，改进型翼型根据实际需要和特定要求，可以在这些参数的基础上进行优化和改进，以达到更好的气动特性和性能。

二、气动特性的基本概念在进行改进型翼型的气动特性分析之前，需要先了解气动力学中的一些基本概念。

主要有升力、阻力、升阻比、雷诺数等。

升力是飞行器产生的垂直向上的力，是使飞行器在空中维持升空的主要力量。

阻力则是飞行器前进产生的阻力，是飞行器速度增加所需的动力来源。

升阻比是升力和阻力的比值，是衡量固定翼飞行器动力性能的重要指标。

雷诺数则是描述流体运动状态的无量纲参数。

三、不同风速下翼型气动特性分析1. 低速下的气动特性分析当风速较低时，NACA 4415翼型的升阻比较低，导致起飞和爬升性能较差。

此时，可以通过增加弓度和加厚翼型的方法来提高升阻比。

实验表明，当弓度为0.6时，升阻比可以提高20%以上。

此外，也可以通过改变翼型的后掠角度和前缘底部半径等参数来优化翼型的气动特性。

2. 中速下的气动特性分析当风速处在中速范围内时，翼型的气动特性受到弓度和圆弧控制。

此时，可以通过采用具有较大弓度和较小圆弧的翼型来获得较高的升阻比。

同时，也需要注意翼型的对称面位置和弧线交点位置对气动特性的影响。

3. 高速下的气动特性分析当风速较高时，翼型的气动特性主要受到翼型横向稳定性的影响。

低风速风力发电风轮叶片的设计与优化

低风速风力发电风轮叶片的设计与优化随着对清洁能源需求的不断增长，风力发电作为一种可再生能源得到了广泛应用。

然而，在低风速环境下，传统的风力发电叶片设计普遍存在效率低下的问题。

因此，设计和优化低风速风力发电风轮叶片是一项重要且具有挑战性的任务。

本文将探讨低风速风力发电风轮叶片的设计原理、优化方法以及相关的研究进展。

首先，低风速环境下风力发电叶片设计的关键是提高叶片的抓取面积，并减小风阻。

一种常用的方法是增加叶片的长度和宽度，以扩大叶片与气流的接触面积，提高能量转化效率。

此外，通过增加叶片的扭转角度和倾斜角度，可以提高风力发电机在低风速环境下的启动性能。

其次，为了进一步优化低风速风力发电叶片的设计，可以采用计算流体力学模拟方法进行优化。

利用计算机软件对叶片进行模拟和分析，可以精确地预测叶片在低风速环境下的性能。

通过调整叶片的形状、剖面和结构参数，可以最大程度地减小风阻和气动噪声，提高风力发电机的发电效率。

此外，材料的选择也是低风速风力发电叶片设计的重要考虑因素。

与传统的高速风力发电机相比，低风速风力发电机在风轮叶片上承受的力比较小，因此可以选择轻质材料制造叶片，以减小风阻和提高转速。

同时，材料的强度和耐久性也是关键因素，可以选择具有较高强度和耐候性的材料，以确保叶片的寿命和可靠性。

另外，低风速风力发电风轮叶片的设计还需要考虑环境因素。

例如，在低温和湿度环境下，使用防冰涂层可以减少冰的凝结和积聚，防止叶片结冰而影响发电效率。

此外，还可以考虑利用自动调节机构，根据不同环境条件调整叶片的角度，以使风力发电机始终在最佳工作状态。

在研究与实践中，许多学者和企业致力于低风速风力发电叶片的设计与优化。

他们通过使用计算流体力学模拟软件和实验室测试设备，不断改进和验证设计方案。

一些新兴技术，如生物仿生设计和多段结构设计，也被引入到低风速风力发电叶片的设计中，以提高其性能。

总之，低风速风力发电风轮叶片的设计与优化是提高风力发电机效率和可靠性的关键。

低风速环境下风力发电叶片的力学特性分析与优化设计

低风速环境下风力发电叶片的力学特性分析与优化设计风力发电作为一种可再生能源，正变得越来越受人们的关注和重视。

而风力发电机由风轮、塔筒和机组组成，其中风轮的叶片起着决定性的作用。

在低风速环境下，风力发电叶片的力学特性成为了研究的重点，优化设计也是提高风力发电机效率的关键。

低风速环境下风力发电叶片的力学特性分析是为了了解叶片在此工况下的受力情况，从而为优化设计提供依据。

首先，我们需要对低风速条件进行定义和界定。

一般来说，低风速一般指的是风速小于3m/s的情况，这是风力发电机开始转动的最低风速，也是其运行效率较低的风速范围。

在低风速环境下，由于风力的不足，风力发电叶片所受到的风力也较小。

这就要求叶片设计要具备较高的灵敏度和适应性，以便在低风速下仍能正常运转。

因此，低风速环境下风力发电叶片的力学特性分析和优化设计尤为重要。

首先，我们需要对风力发电叶片的受力情况进行分析。

风力发电叶片在低风速环境下主要受到两种力的作用：风力和重力。

风力是主要推动叶片运动的力量，而重力则是叶片自身的重量。

在低风速下，由于风力较小，叶片所受到的风力也相应较小。

这就导致叶片的转动速度较低，转动轴所受到的力矩也相应较小。

基于以上的分析，我们可以得出几个结论。

首先，在低风速环境下，风力发电叶片所受到的外力较小，因此叶片的结构应该具备较高的刚度和强度，以便在受到外力作用时不会发生变形和破裂。

其次，由于低风速条件下叶片的转动速度较低，我们需要优化叶片的形状和结构，以提高其运转效率。

在优化设计风力发电叶片时，我们可以从以下几个方面进行考虑。

首先，可以采用空气动力学的原理对叶片的形状进行优化。

通过改变叶片的弯曲角度和翼型等参数，可以使得叶片在低风速下能够更好地捕捉到风力，从而提高转动效率。

其次，可以考虑使用轻量化材料来制造叶片，以减轻其自重，降低对转动轴的负荷。

同时，叶片的设计应该兼顾耐久性和可靠性，以确保其在长时间运行过程中不会出现磨损和损坏的情况。

低风速风力机叶片气动设计方法研究

第4卷㊀第1期2023年8月新能源科技New Energy TechnologyVol.4,No.1August,2023㊀基金项目:国家重点研发计划(2020YFB1506600)㊂㊀作者简介:肖航(1992 ),男,四川仁寿人,工程师,硕士;研究方向:风力机叶片设计,风力机系统设计㊂低风速风力机叶片气动设计方法研究肖㊀航(中船海装风电有限公司,重庆401122)摘要:中国海上长江口以北㊁内陆中东南部地区风资源较为匮乏,年均风速低,提高低风速风电场经济效益是风力发电技术重点研究方向之一㊂文章阐明了低风速风电项目投资的必要条件和风资源特征,明确了低风速风力发电机组的设计目标和运行特征,具体定义了一款低风速风电叶片设计目标,并通过叶片优化设计实现了风力机年发电量的最大化㊂优化设计的叶片满足‘低风速风力发电机组选型导则“要求㊂通过对在役叶片进行优化,发电量提升了0.6%~1.03%,证明文章所述优化设计方法具备工程化应用价值㊂关键词:风能;风力发电;风力发电机组;低风速;风力机叶片;气动设计中图分类号:U671.99㊀㊀文献标志码:A0㊀引言㊀㊀中国风能资源分布特点与中国季风气候和西高东低的阶梯式地貌紧密相关,受风力较强的冬季风和春季活跃的北方气旋活动影响,形成了我国陆上三北和新疆地区风能资源丰富和中东南部风能资源较为贫乏的总体特征㊂但是,中东南部风电场靠近用电负荷中心,利于消纳,仍是风能资源开发的热点地区㊂在全国年均风速分布的数值模拟基础上,剔除不可开发风能资源的区域,并考虑开发限制因素以后,河北南部㊁河南东部㊁山东南部㊁安徽北部和中部以及江苏东部以低风速风能资源为主,适宜采用低风速型风电机组[1]㊂此前,相关学者在低风速叶片的优化设计领域进行了一些研究㊂文献[2]以功率输出和年发电量最大化为优化目标,基于遗传算法对1.5MW 的风力机叶片进行了优化设计,优化后的最大输出功率提高了1.16%㊂文献[3]建立了低风速功率系数的非线性约束优化模型,提高了1.5MW 风力机在低风速下的功率系数㊂文献[4]基于高㊁低风速叶片的结构特性,提出了低风速叶片的改进设计方法,使得叶片变得更轻,制作成本更低㊂文献[5]采用粒子群算法,以年发电量最大和叶根弯矩最小为设计目标,实现在不增加叶根弯矩的情况下,2.5MW 风力机年发电量提升0.6%~1.03%㊂本文紧密结合工程实际需求,对低风速风电项目投资的必要条件和风资源特征进行了分析,明确了低风速风力发电机组的设计目标和运行特征,具体定义了一款低风速风电叶片设计要求,并通过叶片优化设计方法实现了风力机年发电量的最大化,揭示了一定约束条件下,叶片最大风能吸收效率与最优尖速比的关系以及直驱㊁双馈风力机最优化叶片的不同特点,提出了具有工程化应用价值的低风速叶片气动设计优化方法㊂1㊀低风速风场风资源特征㊀㊀目前,行业内对低风速风电场项目的定义仍存在分歧,文献[1]定义年均风速为4.8~5.8m /s 的是低风速风电项目,‘低风速风力发电机组选型导则“[6]定义标准空气密度下,轮毂高度处代表年均风速不高于6.5m /s 的为低风速风电项目;文献[7]定义轮毂中心高度上年均风速为5.3~6.5m /s 的是低风速风电项目㊂本文按‘低风速风力发电机组选型导则“的定义,认为年均风速不高于6.5m /s 即为低风速风电项目,并选择5.5m /s 作为典型低风速风电项目的代表年均风速进行研究㊂为确保低风速风电场具有开发价值,该电场至少应满足项目资本金财务内部收益率达到8%以上[7],建议取综合折减系数0.7,低风速风电场年等效满负荷小时数不低于2000h [6]㊂低风速风电项目风资源的重要特征是年均风速低,按‘低风速风力发电机组选型导则“定义,年均风速不超过6.5m /s㊂参考IEC61400 1 2019[8]标准,不同的年均风速下,全年风速的理论概率分布服从瑞利分布,其式如式(1)所示㊂P w =1-exp[-π(V 0/2V ave )2](1)㊀㊀式中:P w 为风速分布概率;V hub 为风力机轮毂高度处的风速区间,本文取3~20m /s;V ave 为年均风速,m /s㊂不同的年均风速,其风速概率分布不同,如图1所示㊂图1㊀不同年均风速下风速概率分布将2.5~20.5m /s 风速等分为18个风速区间,每个风速区间为一个bin,则每个风速bin 下的单位面积风能可表示为式(2)㊂E =8766ˑ12ρʏbin up bin low V 3hub ()ˑʏbin upbin lowP w ()/1000000(2)㊀㊀式中:E 为一个计算年内,单位面积的最大风能,MWh /m 2;8766表示每一年共有8766h(每4年为一个闰年,平均每年共有8766h);ρ为空气密度,本文考虑标准空气密度取ρ=1.225kg /m 3;bin u p ㊁bin low 为一个风速区间的上下限,如2.5~3.5m /s 这个风速区间的bin up =3.5m /s,bin low =2.5m /s㊂不同的年均风速,其风能概率分布不同,如图2所示㊂图2㊀不同年均风速下风能分布低风速风电场的建设目标即从如图2所示的能量分布图中,尽可能多地吸收风能,用以转化为电能㊂由图2可知,年均风速越低,高风速段风能分布越少,应更重视低风速区间的风能捕获㊂2㊀低风速风电机组2.1㊀设计目标㊀㊀低风速风电机组首先需要满足低风速风电场的投资必要条件㊂另外,低风速风电机组等级根据年均风速可分为D -Ⅰ㊁D -Ⅱ㊁D -Ⅲ和D -Ⅳ4级,其对应年均风速如表1所示㊂表1㊀低风速风力机设计等级㊀㊀低风速风电机组单位千瓦扫风面积不宜低于4.7m 2/kW,切入风速不宜高于3m /s,额定风速不宜高于10m /s,切出风速不宜高于18m /s,机组C p 最大值不应低于0.48,机组自耗电应小于额定功率的2.5%㊂2.2㊀整机效率㊀㊀在风电机组设计中,发电机的技术路线选型需要与传动链的选型相匹配㊂目前,行业内主流的机组配型有两种:高速传动链配双馈异步发电机和直驱技术结合永磁发电机㊂以上2种配型分别简称为高速双馈和直驱永磁㊂就发电性能而言,通过定量分析,高速双馈机组与直驱永磁机组相比,在低输出功率时,效率较低,但高输出功率时,效率更高,如图3所示㊂综合而言,双馈机组的整机效率占优[9]㊂图3㊀双馈机组和直驱机组整机效率对比2.3㊀转速控制㊀㊀定义叶片尖速比为:λ=πRΩ30V hub(3)㊀㊀式中:λ为叶片尖速比;Ω为风轮转速,rpm;R 为风轮半径㊂为了更好地吸收风能,风电机组需要运行在固定的最优叶尖速比λopt 下,此时,风轮转速与风速的最佳关系如图4中理想所示,关系如下:Ω=30λopt V hubπR(4)㊀㊀但受风电机组发电系统限制,风轮转速通常限制在并网转速与额定转速之间,当最佳风轮转速小于并网转速时,按并网转速运行;当最佳风轮转速大于额定转速时,按额定转速运行㊂风电机组的风轮转速随风速的变化关系如图4中双馈和直驱所示㊂图4中,Ω1为直驱机组并网转速,Ω2为双馈机组并网转速,Ω3为额定转速,在相同功率等级和风轮直径下,直驱和双馈机组额定转速通常相同㊂图4㊀风轮转速与风速的关系2.4㊀运行尖速比㊀㊀由于风轮转速范围的限制,风电机组无法在所有风速段按最佳尖速比运行,将图4转换为叶尖速比与风速的关系,如图5所示㊂图5㊀叶尖速比与风速的关系3㊀低风速风电叶片3.1㊀设计目标㊀㊀综合前文,将低风速风电叶片的总体设计目标具体化,如表2所示㊂叶片的设计结果通常可以用一条C p -λ曲线表示,如图6所示㊂低风速风电叶片的C p -λ曲线设计目标,即叶片的C p -λ曲线与表2的总体目标最优匹配,实现发电量最大化㊂3.2㊀气动设计的基本理论㊀㊀风力机叶片气动设计的基本理论是以空气动力学原理为基础,通过分析风力机叶片绕流流场动力学㊀㊀㊀表2㊀低风速风电叶片设计目标图6㊀叶片C p -λ曲线特性,提出和发展起来的适用于工程应用的设计理论和方法㊂叶素动量定理是风力机叶片气动设计的基本理论,在叶素动量理论的基础上,增加叶尖和叶根修正称为经典叶素动量定理,是目前风电行业最广泛应用的基本理论和方法[10]㊂动量理论和叶素理论的模型如图7和图8所示㊂图7㊀动量理论模型图8㊀叶素理论模型通过联立动量方程和叶素方程可以得到式(5)和式(6)两个重要表达式[11]㊂a 1-a =σC N 4F (sin θ)2(5)a ᶄ1+a ᶄ=σC T 4F sin θcos θ(6)㊀㊀式中:a 为轴向诱导因子;σ为实度;C N 为轴向力系数;F 为损失因子;θ为攻角;aᶄ为周向诱导因子;C T 为切向力系数㊂损失因子F 由叶根损失F t 和叶尖损失F r 组成,其表达如下:F =F t F r(7)F t =2πcos -1[e -B (R -r )2R sin θ](8)F r =2πcos -1[e-B (r -r hub )2r hubsin θ](9)㊀㊀式中:B 为叶片数量;R 为风轮半径;r 为叶片展向位置;r hub 为轮毂半径㊂通过数值迭代,可以在一定误差范围内,计算出既满足动量定理又满足叶素定理的a 和aᶄ㊂得到a 和aᶄ后,可以解出叶片各截面的升力阻力,进而求解整个叶片和整个风轮的升力和阻力㊂3.3㊀几何约束㊀㊀叶片气动设计时,需要考虑结构设计和工程化的可行性,是为几何约束㊂3.3.1㊀厚度约束选择越薄的翼型,叶片C p 越高,发电量越好,为严格反相关关系㊂但叶片太薄将导致叶片的刚度下降,不满足挠度约束㊂因此,本文在气动设计前,先确定叶片的厚度约束,如图9所示㊂图9㊀叶片归一化厚度分布3.3.2㊀弦长约束叶片需要使用螺栓安装至轮毂上,叶片连接螺栓的分布圆称为叶片BCD,行业内2MW 级别的叶片BCD 通常为2110mm 或2300mm,本文选定叶片BCD 为2110mm,考虑100mm 的叶根厚度,则叶片叶根处的外径(叶根弦长)为2210mm㊂为方便后文与现役叶片对标,本文设定最大弦长为3.878m,叶尖弦长设为0㊂3.3.3㊀扭角约束为方便叶片分模和制作,叶根扭角设置不高于20ʎ㊂3.4㊀气动设计及优化目标㊀㊀本文采用遗传算法[12]进行叶片气动设计和优化,优化目标为发电量(A EP )最大化:max A EP =f [chord(r ),twist(r ),thickness(r ),aerofoils,V mean ](10)㊀㊀式中:依据叶片设计目标,V mean =5.5m /s,优化的约束条件已在第3.3节中说明㊂从式(10)可以看出,年发电量与叶片弦长㊁扭角㊁厚度分布以及选择的翼型族(aerofoils)有关,翼型族性能越好,年发电量越高㊂本文不涉及叶片翼型的优化,选择行业内某通用翼型族进行分析㊂3.5㊀优化结果分析3.5.1㊀理想机组叶片进化趋势理想机组没有并网转速限制,不考虑整机效率,采用单目标遗传优化算法,其进化过程如图10所示,叶片年发电量收敛于6505MWh㊂图10㊀理想叶片A EP 进化曲线从进化过程分析,叶片的C p -λ曲线倾向于收敛到9.7的最优尖速比以及9.7尖速比下的C p 最大化,如图11(a)所示㊂如图11(b)所示,理想机组由于不受转速范围限制,额定风速前,始终运行在最优尖速比,以获得最大C p,额定风速以后由于风能溢出,风力机通过变桨动作保持功率恒定㊂因此,本优化案例等价于最大C p(后文称 C p max )的最优化㊂本案例不同的最优尖比,可获得的C p max 不同,如图12所示,C p max 随最优尖速比(tsr _opt )先增大后减小㊂在tsr _opt =9.7取得最大值㊂此为理想叶片收敛于9.7的原因㊂图11㊀理想叶片进化过程图12㊀C p max 随最优尖速比变化情况3.5.2㊀实际机组叶片进化分析双馈机组有并网转速限制,且考虑整机效率,叶片年发电量收敛于6036MWh,其进化趋势与理想机组一致㊂不同点在于,双馈机组叶片最优尖速比收敛于10.32,最优尖速比下C p max 收敛于0.4835㊂分析可知,由于双馈机组并网转速限制较高,低风速段需要运行在高尖速比区域(最优尖速比右侧),因此叶片进化过程中兼顾考虑了最优尖速比及其右侧的C p 最大化,最终叶片最优尖速比选定在10.32,而非理想机组的最优尖速比9.7附近,如图13所示㊂图13㊀叶片C p-V hub 曲线进化过程直驱机组并网转速限制较低,在切入风速3m/s 时,仍能运行在叶片最优尖速比下,故直驱叶片优化原理与理想机组类似,最优尖速比收敛于9.7,C p max 收敛于0.484㊂考虑整机效率,叶片年发电量收敛于5833MWh㊂分析发现,机组的效率损失曲线并不会影响叶片的进化结果㊂各机型的优化结果汇总如表3所示㊂表3㊀叶片优化结果汇总3.5.3㊀风能捕获利用本文所述方法,设计的直驱和双馈风力机均满足年满发小时数超2000h 的要求,如表4所示㊂从表4可看出,双馈机组在能量捕获效率上相比直驱机组略占优势㊂㊀㊀需要从经济性角度综合考虑风力机容量和年满发小时数目标㊂以双馈机组为例,以2000h 满发小时数为目标,可以适当提高风力机额定功率至2.15MW,计算满发小时数为2024h,仍然满足2000h 的最低要求㊂3.5.4㊀与现役叶片对比以双馈机组为例,采用本文所述优化方法设计的叶片,对某在役59m 级叶片进行优化㊂如前文所述,厚度与叶片性能正相关,为避免厚度差异带来叶片性能差异,导致优化结果缺乏可比性,本文与在役叶片采用相同的厚度㊂优化前后叶片弦长㊁扭角差异如图14所示,优化后,相较于原叶片发电量提升约0.6%㊂采用相同的优化方案对直驱机组进行优化,优化后,相较于原叶片发电量提升约1.03%㊂对比各机型叶片的C p -λ曲线,如图15所示㊂双馈机组叶片与在役叶片基本重合,说明在役叶片是一款更适合于双馈机组的叶片㊂4㊀结语㊀㊀本文对低风速风电项目投资的必要条件和风资源特征进行了分析,阐述了低风速风力发电机组的运行特征,围绕运行特征,具体定义了一款2MW 低风速风电叶片设计目标,并通过叶片优化设计方法实现了风力机年发电量的最大化,优化设计叶片符合‘低风速风力发电机组选型导则“要求㊂本文的研究表明,对于低风速风力机叶片:(1)应更重视低风速区间的风能捕获,提高低风速区间的捕风效率;(2)在一定的约束条件下,为实现叶片C p max 最大化,最优尖速比有最优取值;(3)适配直驱和双馈机组的最优化叶片不同,理论上应当区别设计;(4)利用本文提出的优化设计方法对现役叶片进行优化,可提升年发电量0.6%~1.03%,证明本文所述叶片优化设计方法具有工程化应用价值㊂图14㊀新设计叶片与在役叶片扭角㊁弦长分布对比图15㊀各叶片Cp -λ曲线对比㊀㊀㊀[参考文献][1]朱蓉,王阳,向洋,等.中国风能资源气候特征和开发潜力研究[J ].太阳能学报,2021(6):409-418.[2]韩中合,吴铁军.基于遗传算法的风力机叶片优化设计[J ].动力工程,2008(6):955-958.[3]程珩,张水明,权龙.基于约束主导混合粒子群算法的风力机叶片优化方法研究[J ].机械工程学报,2015(1):176-181.[4]BARNES R H ,MOROZOV E V ,SHANKAR K.Improved methodology for design of low wind speed specific wind turbine blades [J ].Composite Structures ,2015(199):677-684.[5]张忍,郭小锋,黄鑫祥.内陆低风速风力机叶片气动外形的多目标优化设计[J ].中原工学院学报,2021(6):30-34.[6]国家能源局.低风速风力发电机组选型导则:NB /T 31107-2017[S ].北京:中国电力出版社,2017.[7]潘沛.低风速风电项目投资分析实例探究[J ].风能,2016(4):44-47.[8]International Electrotechnical Commission.Wind turbines -part 1:design requirements :IEC 61400-1[S ].GENEVA International Electrotechnical Commission ,2019.[9]赵燕峰,李慧新,刘璐,等.双馈风电机组发电效率提升研究[J ].大功率变流技术,2017(6):56-60.[10]杨增帅.10MW 风力机叶片的设计方法研究[D ].北京:北京工业大学,2020.[11]赵振宙,王同光,郑源.风力发电工程技术丛书风力机原理[M ].北京:中国水利水电出版社,2016.[12]肖航,杨宛生,张万军,等.基于多目标优化算法的风力机叶片气动优化设计[J ].船舶工程,2022(增刊2):46-50,78.(编辑㊀王雪芬)Research on aerodynamic design method of low wind speed wind turbine blade Xiao Hang(CSSC Haizhuang Windpower Co.,Ltd.,Chongqing 401122,China )Abstract :Wind resources are relatively poor in the Chinese coastal sea from north Changjiang mouth and the central and southeast inland of China ,with low annual wind speeds.Improving the economic benefits of low wind speed farms is an emphasis studying direction for wind power technology.This paper clarifies the necessary investment conditions and the characteristics of wind resources for low wind speed farm ,clarifies the design objectives and operating characteristics of low wind speed wind turbine ,specifically defines the design objectives of a blade for low wind speed turbine ,and maximizes the annual power generation of the wind turbine through blade optimization design ,which meets the requirements of the Guide for Type Selection of Wind Turbine Generator System for Low Wind Speed .Compared with the blades in service ,the power generation of optimized blades will be up by 0.6%~1.03%.It is proved that the optimization design method described in this paper can be applied in engineering.Key words :wind energy ;wind power generation ;wind turbine ;low wind speed ;wind turbine blade ;aerodynamic design。

风力发电机组的翼型与叶片形状优化研究

风力发电机组的翼型与叶片形状优化研究随着对可再生能源需求的不断增长，风力发电作为一种清洁、可持续的能源形式，被广泛应用于发电领域。

作为风力发电机组的关键组成部分，研究翼型与叶片形状的优化对提高发电效率和性能至关重要。

本文将探讨风力发电机组翼型与叶片形状的优化研究，旨在提高风能的利用效率和发电能力。

翼型优化是风力发电机组设计中的核心问题之一。

优化的翼型设计可以显著影响风力发电机组的性能和效率。

翼型的选择应考虑到风速、风向以及机组的运行环境。

通常，翼型需要具备较高的升力系数和较低的阻力系数，以最大程度地提高发电效率。

此外，稳定性和可控性也是翼型设计的重要考虑因素。

目前，常用的风力发电机组翼型主要有对称翼型、适度弯曲的偏置翼型和适度弯曲的反曲翼型。

对称翼型具有较高的升力系数和较低的阻力系数，适合用于低风速区域。

偏置翼型通过改变上下翼面的厚度分布，可以有效降低气动阻力，提高发电效率和性能。

反曲翼型则通过翼型前缘向后延伸并形成弯曲，可以增加升力系数，提高机组的稳定性和可控性。

叶片形状的优化也对风力发电机组的性能和效率产生重要影响。

叶片是将风能转化为机械能的关键部件。

合理设计的叶片形状可以提高发电机组的转矩和输出功率。

一般而言，叶片的长度、弯曲程度以及截面形状都需要优化。

叶片长度的选择应考虑到风速分布和机组的设计要求。

适度的弯曲程度可以减小叶片的气动阻力，提高运行效率。

此外，采用合适的截面形状可以提高叶片的刚度和强度，减小振动和噪音。

在风力发电机组的翼型与叶片形状优化研究中，数值模拟和实验测试是常用的方法之一。

数值模拟可以通过计算流体力学分析风力发电机组中的气动特性。

通过在计算机上建立风力发电机组的数值模型，可以模拟和优化翼型和叶片的设计。

此外，实验测试可以通过风洞试验等手段对设计方案进行验证和验证。

这些实验可以测量翼型和叶片在风速变化下的表现，从而提供有关其性能和效率的重要信息。

此外，优化研究还可以利用进化算法、遗传算法和粒子群优化等优化算法，以最大程度地提高发电机组的性能。

低风速环境下风力发电叶片的振动与模态分析

低风速环境下风力发电叶片的振动与模态分析随着近年来对可再生能源的广泛应用和推进，风力发电作为一种清洁能源得到了越来越多的关注。

然而，在实际运行中，风力发电叶片的振动问题成为了一个重要的研究课题。

特别是在低风速环境下，由于风力的相对较弱，风力发电叶片的振动问题更加突出。

因此，进行低风速环境下风力发电叶片的振动与模态分析具有重要的理论意义和实际应用价值。

风力发电叶片的振动问题主要包括两个方面：叶片的动态响应和叶片的模态分析。

叶片的动态响应是指叶片在受到风力作用时的振动情况，而叶片的模态分析则是通过数学模型来研究叶片的振动模态。

这两个问题是相互关联的，通过对叶片的动态响应进行分析可以得到叶片的模态参数，进而更好地了解叶片在不同风力条件下的振动行为。

在低风速环境下，由于风力相对较弱，叶片的振动问题可能导致以下影响：一是降低发电效率。

叶片的振动会造成能量的损失，从而降低风力发电的效率。

二是加速叶片的疲劳寿命。

长期以来叶片的振动会导致金属疲劳，进而缩短叶片的使用寿命。

三是增加维护成本。

如果叶片的振动过大，就需要进行维护和修复，增加了维护成本和风力发电站的停机时间。

解决低风速环境下风力发电叶片振动问题的关键是进行振动与模态分析，在此过程中，有以下几个方面需要考虑：首先，建立叶片的振动模型。

叶片的振动模型可以通过有限元方法建立，在此过程中可以考虑叶片的材料特性、几何形状和边界条件等因素。

叶片的材料特性对振动的影响十分重要，需要合理选择和确定叶片的材料。

几何形状包括叶片的长度、厚度和弯曲角度等参数，这些参数会直接影响叶片的振动特性。

边界条件是指叶片的支承方式和固定方式，不同的支承方案和固定方案会对振动产生不同的影响。

其次，确定叶片的动态响应方程。

通过建立叶片的动态响应方程可以预测叶片在低风速环境下的振动情况。

动态响应方程可以通过应力-振动耦合模型来建立，其中包括材料的应力-应变关系和叶片的振动方程。

在建立动态响应方程的过程中需要对叶片的质量、刚度和阻尼等参数进行合理估计。

基于低风速环境下的风力发电叶片材料选择与性能研究

基于低风速环境下的风力发电叶片材料选择与性能研究风力发电作为一种清洁、可再生的能源，正逐渐成为人们重视和利用的对象。

在风力发电系统中，风力发电叶片作为转化风能为电能的关键部件，对于其材料选择与性能研究，具有重要的意义。

特别是在低风速环境下，优化叶片材料的选择，能够提高风力发电系统的效率和稳定性。

低风速环境下的特点是风力较弱，因此风力发电叶片在设计和材料选择上需要考虑以下几个关键因素：轻量化、结构强度、耐久性和成本效益。

首先，轻量化是低风速环境下的风力发电叶片设计的重要指标。

因为在低风速环境下，风力发电机往往需要更高的启动转速才能转动，因此叶片的重量应该尽可能轻，以提高系统的启动性能。

轻量化设计可以通过选择轻质材料、优化叶片结构等方式实现。

常见的用于风力发电叶片的材料有纤维复合材料、玻璃钢、碳纤维等。

其次，结构强度是叶片材料选择的另一个重要考虑因素。

低风速环境下，叶片可能面临的风荷载较小，但仍然需要具备足够的结构强度以应对突发的极端风力。

材料的强度和刚度是衡量结构强度的重要指标。

常用的材料如玻璃钢具有较好的强度和刚度特性，能够满足在低风速环境下的使用要求。

第三，耐久性是叶片材料选择的关键考虑因素之一。

风力发电叶片处于户外环境中，暴露在恶劣的气候条件下，如强风、雨水、紫外线等。

因此，叶片的材料需要具备良好的耐久性，能够抵抗风力、防止腐蚀、耐紫外线辐射等。

常用的抗紫外线材料有聚酯树脂、环氧树脂等。

最后，成本效益是叶片材料选择中需要综合考虑的因素。

不同的叶片材料价格差异较大，对于风电厂来说，成本效益是重要的考虑因素之一。

一般来说，纤维复合材料具有较好的性价比，既能满足结构强度要求，又相对较为经济。

综上所述，对于基于低风速环境下的风力发电叶片材料选择与性能研究，我们需要考虑轻量化、结构强度、耐久性和成本效益等关键因素。

常见的叶片材料有纤维复合材料、玻璃钢、碳纤维等，这些材料具有较好的轻量化、结构强度和耐久性特性，能够满足低风速环境下风力发电叶片的要求。

风轮叶片翼型气动特性分析

毛金铎张礼达
（西华大学风电技术研究所，成都６０３）１０９
ＡｅｒｄｎｍｉｈｒｃｅｌｔｓａａｙｉｆｂａｅａｒｉｏｙａｃｃａａｔｉｎｌｓｓｏｌｄｉｏＩｒｃｓｆ
ＭＡＯｉ— ｕ，ＨＡＮＧｉｄＪｎｄｏＺＬ— ａ
表３ｒ７ｍｍ时系统的不稳定模态＝．８
００２０２，２Ｕ２４０２．６０２．８Ｏ３０
趟
厘
鳖
百
摩察系数
图３优化前后制动器尖叫倾向性对比
现在的制动片摩擦系数值通常在（．－．）间。如图＝．ｍ其不稳定模态，７如表２所示。对比表的倒圆半径，成功驱动了产品设计，并使得制动尖叫倾向性在产２和表１可以看出，４阶模态的不稳定性有了显著降低，同时频品早期设计阶段得到了降低或消除。率有所升高；阶模态的不稳定性消除，但又引入ｃ阶不稳定模态，由于其不稳定性系数只有－．０５因此优化结果是可行的。００２，０考虑到加工精度和加工成本问题，对倒圆半径进行圆整，圆整后ｒ＿．７ｍｍ，８重新计算，得到系统不稳定模态，如表３所示。从表３可看出Ａ，ｃ阶模态不稳定性降低，因此ｒ７８＝．是可取的。
４结论
通过对一套新开发的已完成初步设计的盘式制动器进行非
ｔｎＩｕｅａｐｇｎｏｌｅｒｆｃｒｅｑｅｌｎｌｉＣ．ｉ —ｎｃＤｍｉｄｎｎａＥｅｔｏＢａｕａＡａｓ［］ｏｄｄｎａＮｉｓｎｋＳｙｓ

风力机叶片及翼型变形分析

风力机叶片及翼型变形分析随着全球环保意识日益增强，风能逐渐成为了一种受到广泛关注和应用的可再生能源。

风力发电厂也随之崛起，而风力机叶片是风力机中最为重要的部分之一，对其性能的影响至关重要。

因此，对风力机叶片的变形进行分析，可以更好地优化风力机的结构，并提高其效率和稳定性。

风力机的叶片结构风力机叶片通常采用第三代叶型设计，即基于翼型理论的设计，采用气动外形优化方法。

这种方法的特点是将叶片表面设计为具有最佳气动性能的几何形状，以达到最佳流体动力性能。

并且，在其上采用二次或三次螺旋线上每个点的翼型截面，来构建一个光滑的外形。

经过数值分析，在确定翼型后，将其分别应用于叶片的不同纵向位置，使得整个叶片都能够获得最佳气动性能。

然而，在实际应用中，由于风力机叶片受到风载、旋转运动等多种复杂外力的影响，其结构会发生形变。

因此，精确地分析风力机叶片的变形非常重要。

风力机叶片的变形分析方法为了更好地分析风力机叶片的变形，可以采用有限元分析方法。

其主要过程是将叶片分割成许多小单元，然后在每个单元内计算叶片中的应力和应变。

在经过大量数据分析后，可以得到每个单元的变形情况，从而推断出整个叶片的变形情况。

由于风力机叶片通常采用化合物材料和纤维增强材料，其力学性能非常复杂。

因此，在进行有限元分析时，需要考虑到叶片中各种材料的弹性模量、泊松比、应力应变等特性，并通过数值模拟等手段进行外载荷计算和叶盘内流场等环境因素的影响情况。

针对这些因素，在进行叶片变形分析时，需要采用非线性有限元分析方法，使得叶片的变形分析更为精确。

一般来说，非线性有限元分析方法适用于非线性问题，并通常涉及大量非线性因素，例如材料的非线性、几何非线性等。

在使用非线性有限元分析方法时，可以通过模拟叶片和环境中各种因素的交互作用，得到更为准确和可靠的分析结果。

风力机叶片变形分析的翼型优化通过分析风力机叶片的变形，可以找到一些优化的方案，从而提高风力机的性能。

例如，针对由叶片变形引起的损失，可以在设计过程中增加一些加强措施来避免叶片的弯曲和扭曲。

Savonius风力机叶片气动性能模拟与分析

71　2021年2月中国建材科技第30卷　第1期　Savonius 风力机叶片气动性能模拟与分析Aerodynamic performance simulation and analysis of savonius wind turbine blades曲宝麟桂小红程鲁康高日鹏施永博李舜尧宋增光（中国矿业大学（北京），北京 100083）QU Baolin, GUI Xiaohong, CHENG Lukang, GAO Ripeng, SHI Yongbo, LI Shunyao ，SONG Zengguang(China University of Mining ＆ Technology( Beijing), Beijing 100083)摘要：针对Savonius 阻力型风力发电机扰流流动特点，建立了二维不可压缩湍流模型，并对基于流体连续性方程和N -S 方程及k -ε湍流模型的二维流场进行数值模拟计算。

用ICEM 构建了风力机叶片二维模型，完成了网格的划分，在FLUENT 中模拟了流场内叶片截面的受力情况和速度分布情况，得到了Savonius 风机的气动性能。

关键词：风力发电机；风洞；叶片；速度场；压力场；气动特性Abstract: According to the turbulent flow characteristics of Savonius resistance wind turbine, a two-dimensional incompressible turbulence model is established, and the two-dimensional flow field based on fluid continuity equation, N-S equation and k-ε turbulence model is numerically simulated. The two-dimensional model of wind turbine blade is built by ICEM, and the grid is divided. The force and velocity distribution of blade section in the flow field are simulated in FLUENT, and the aerodynamic performance of Savonius fan is obtained.Keywords: wind turbine; wind tunnel; blade; velocity field; pressure field; aerodynamic characteristics 中图分类号：TK83　文献标志码：A　文章编号：1003-8965（2021）01-0071-030　引言近年来，能源问题愈加被重视，对风能的开发利用变得迫在眉睫。

低风速风力发电机的叶片设计与研究

低风速风力发电机的叶片设计与研究从能源保护和环境保护的角度来看，风力发电作为一种清洁能源，正在逐渐受到人们的关注和认可。

然而，传统的风力发电机在低风速环境下效率较低，无法充分利用风能资源。

因此，研发低风速风力发电机成为了当前风力发电领域的热点问题。

低风速风力发电机的叶片设计是影响其性能的关键因素之一。

合理设计叶片可以提高风力发电机的转化效率和发电能力，实现更好的发电效果。

首先，低风速风力发电机的叶片设计要考虑风能的捕捉。

在低风速环境下，由于空气密度较低，风能有限，因此叶片的设计应该能够最大限度地捕捉风能。

采用较大的面积和较长的叶片可以提高风能的利用率。

同时，叶片的形状也应该合理，采用气动学原理来优化叶片的扭矩分布，使得整个叶片在低风速环境下能够更好地响应风力，提高转化效率。

其次，低风速风力发电机的叶片设计要考虑传输力和转速的匹配。

低风速环境下，叶片的转速往往相对较低，同时也会受到阻力的影响，因此叶片的材料选择和结构设计要确保足够的刚度和强度，以抵抗风力的作用力，保持稳定的工作状态。

叶片的重量也需要适当控制，过大的重量会增加转动惯量，导致转速降低。

因此，需要在叶片的设计中兼顾力学性能和轻量化的要求。

此外，低风速风力发电机的叶片设计还要考虑减少噪音和振动。

在低风速环境下，噪音和振动问题往往较为突出，影响了风力发电机的使用寿命和效率。

因此，叶片的设计应该尽量减少空气流动时产生的涡流和湍流，降低风力发电机的噪音和振动水平。

可以采用噪音隔音材料和减振装置，降低叶片与风力发电机主体之间的磨擦和振动。

最后，低风速风力发电机的叶片设计还需要考虑材料的耐候性和可持续性。

由于低风速环境下的风力发电机多数安装在户外，长时间暴露在自然环境中，受到日晒、雨淋、风吹等各种天气因素的影响。

因此，在叶片的材料选择上，需要选择具有良好耐候性和抗腐蚀性的材料，以保证发电机的长期运行稳定性和可靠性。

此外，低风速风力发电机的叶片设计也应该注重可持续性，选择可回收利用的材料，减少对环境的负面影响。