风力机叶轮设计

为小值，所以上式可以再简化为
16 C l nl 9
R r2 4 0 0 2 9 R
2
只需要再确定R和
0 的值即可。
翼型对性能的影响
弯度的影响
翼型弯度加大后，导致上下弧流速度差加大，从而使压力差加大，升力增加 同时，迎流面积加大，阻力增加。相比较而言，阻力上升速度比升力快。
厚度的增加 同一弯度的翼型，采用较厚的翼型时，对应同一攻角的升力增加，阻力也增 加，类似于弯度增加。 前缘影响 实验表明，当翼型的前缘抬高时，在负攻角情况下阻力变化不大，前缘低垂 则阻力迅速增加。

源自文库
为叶尖速比---------叶尖圆周速度与风速的比值
3 将 cot 代入 C l nl 的关系式，得到 2
C l nl
16 9
r
4 2 (1 tan ) 9 3
2
设叶尖处和距转轴半径r处的尖速比分别为 同时，由于
0
tan
R v1
和

r v1
，
表明粗糙度和雷诺数的影响
粗糙度对表面边界层的影响很大，在叶片失速的时候，噪声会增大，引起震 动。 有限翼展的影响 会在叶尖产生涡流，形成阻力，该阻力称为诱导阻力。
实际工程中设计方法介绍 Glauert理论
对于有限长的叶片，叶轮叶片的下游存在着尾迹涡，从而形成两个主要 的涡区；一个在轮毂附近，一个在叶尖。对于空间的某一个定点，其风 速可以被认为是由非扰动的风速和涡流系统产生的风速之和。
Glauert的升级版，考虑的非工况下 风轮的性能
基于Soildworks的叶片绘制（前端处理）
用Profili软件进行数值模拟
用ANSYS进行叶片动静载荷，震动分析
叶片材料
木制叶片及布 蒙皮叶片
• 近代微、小型，观赏用风力发电机也有用木制叶片，由于叶片不易弯曲，常采用等安装角叶片。在采用木 制叶片的时候需要用强度很好的整体方木做叶片纵梁来承担工作时候所需要承担的力和弯矩。
5位数翼型族 美国NACA 6位数翼型族 德国DVL 1、7、8族等 各种修改翼型
英国RAF
命名规则：NACA XYZZ X-----------相对弯度 Y------------最大弯度位置 ZZ----------相对厚度
苏联ЦΑΓИ
叶片优化设计方法 Matlab参与计算 右侧图片的设计过程是按照Glauert 理论设计模型，Willson设计模型设计
Schmitz理论 对于有限长的叶片，该方法不仅考虑了在叶尖造成的涡流损失，还考虑 到了风在通过叶轮后，速度方向产生了偏转而造成的与理论模型的不相 符。
动量---叶素理论 该理论是目前国内外使用最为普遍的方法之一。该方法研究了叶尖部分 的损失和升阻比对叶片最佳性能的影响。
现有翼型介绍
4位数翼型族
最早建立的一个低速翼型族。有较高的 最大升力系数和较低的阻力系数 在4位数上发展而来的。有两种中线， 一种比较简单，另一种为S型 适用于较高速的翼型族，又称层流翼型 前缘半径小，最大厚度位置靠后。
风力发电机叶片设计
叶片形状设计 理论基础 现有翼型及其特点 辅助优化设计方法 制造材料和工艺 现有各种制造材料及其特性的介绍 制造工艺介绍
叶片和翼型的几何形状与空气动力特性
翼型的参数
l -----翼型的弦长，A点到B点的长度 C -----最大厚度，即弦长法线方向之翼型最大厚度 f -----翼型中线最大弯度 -----攻角，是来流速度方向与弦线间的夹角 0 -----零升力角，弦线与零升力线之间的夹角 -----升力角，来流速度方向与零升力线间的夹角
案例-------------大型离岸发电机 位于挪威西南部海岸附近卡莫伊岛(Karmoey)10公里处。 浆叶尺寸达到75米，（可以套下整个A380客机）制造方式为在一个巨 大的模具中采用环氧树脂、玻璃纤维和轻木（玻璃钢）进行模铸。 安装完成后，浆刃尖端运动速度在全速运行时可以达到290公里/小时。 由西门子公司负责制造叶片，据说采用了最新的“量子叶片”工艺，设计 的叶片重量只有传统叶片的80%。声称：“减重主要通过对叶片外形的特 殊设计实现，同时设计过程中兼顾了转子在不同风速下的性能。
1 v 2 cos( ) dT C l n ldr 2 2 cos sin
，则有
将上式投影到转轴上，设叶片数为n，则轴向推力为
与上文相同的式子等同，则得到
sin 2 C lnl 4r cos( ) 2 已知在最佳运行条件下 v v 1 ，则 3 r 3 r 3 cot v 2 v1 2
v v1 v 2
2
E P
所以，风轮的功率如下
P
1 2 S(v 1 v 2 )(v 12 v 2 ) 4
2 v 1 是已知条件，所以可得 v 2 1 v 1 时，此时 v v 1 风轮功率最大。 3 3
所以，风轮的功率如下
Pmax
8 Sv 13 27
max
1 C d Sv 2 2 1 L C lSv 2 2
D
C 其中， d 和C l 分别为阻力系数和升力系数
设风轮叶片在半径r处的一个基本单元叫做叶素，其长度为 弦长为 l 安装角为 。
设叶轮旋转角速度为
dr
r

，则半径为r处叶素的圆周速度 U
此时空气通过该位置，与叶轮的相对速度为 同时：
Pmax
1 Sv 13 2

16 0.593 27
假设作用在风轮上的轴向推力与扫掠面积成正比，则
dT v 2dS 2 v 2rdr
考虑静止的翼型受到风吹，风的速度为 此时，作用在叶片上的力
v
，方向与翼型截面平行。
F
1 C r Sv 2 2
同时，这个力可以分解为平行于气流速度的阻力D与垂直于气流速度的升力L
碳纤维复合叶片 强度为所有材料里最强，刚度为玻璃钢复合叶片的2-3倍，质量轻。 对风力发电机而言，碳纤维是即将来临的潮流。
叶片制造工艺
风电叶片是一种高性能的复合材料产品，制造条件要求高，温度要求 16~25℃，空气湿度要求低于70%
手糊工艺：生产效率低，有害物质和溶剂释放，质量不合格，成品率低。 聚胺酯反应注射成型（RIM)：投资大，适用于中小尺寸风机叶片大批量生产。 树脂传递模塑(RTM）：属于半机械化生产，污染小，生产效率和产品质量高。 真空吸塑成型（VRAM)：增加树脂传递动力，排除模具及树脂中的气泡和水分， 提高复合材料性能，对于大尺寸的复合材料尤为合适。
连续性条件
S1v 1 S 2v 2
作用在风机上的力
F Sv(v 1v 2 )
风机吸收的功率
P Fv Sv 2(v 1 v 2 )
图1 风能转换关系图
风轮机前后气体动能改变量
E
1 2 Sv(v 12 v 2 ) 2
因为风轮的功率即是风能改变量，所以 从而可以得到
玻璃钢叶片
• 所谓玻璃钢，就是环氧树脂、不饱和树脂等塑料渗入不通长度的玻璃纤维做成的增强塑料。具有强度高， 重量轻，耐老化，表面可以再缠玻璃纤维及凃环氧树脂，其他部分填充泡沫塑料。玻璃纤维的质量还可以 通过表面改性、上浆和涂覆加以改进。
玻璃钢复合叶 片
• 20世纪末，世界工业发达国家的大、中型商品风力发电机的叶片，基本上采用型钢纵梁、夹层玻璃钢肋梁 及叶片根与轮毂连接用金属结构的复合材料做叶片。美国研究表明，采用射电频率等离子体沉积法涂覆E玻纤，其耐拉伸疲劳就可以达到碳纤维的水平，而且经这种处理后可以降低纤维间微震磨损。
W v U
dF dL
cos
dD
1 C dW 2ldr 2 1 dL C lW 2ldr 2
其合力
-------dF和dL之间的夹角；l
-------距转轴r处叶素的弦长
由于
W
v
sin 1 W2 1 v2 ldr dF C l ldr C l 2 cos 2 sin 2 cos
理论基础
风能计算 由一般的流体力学可知，气流的动能可以表示为：
E
1 mv 2 2
设单位时间内气流流过的单位面积 则气流所具有的动能表示为
S 的气体体积为 V
，气体密度为

1 E Sv 3 2
其中密度和风速随着地理位置，海拔高度，地形等因素而改变， 速度为主要因素
贝茨理论
假设条件 叶轮没有轮毂，具有无限多叶片 气流通过风轮时没有阻力 气流经过整个风轮面时是均匀的 气流速度方向在风轮前后通过风轮时是沿风轮轴线方向 气体为不可压缩气体
钢梁玻璃纤维 蒙皮叶片
• 叶片在近代采用钢管或者D型型钢做成纵梁，钢板做肋梁，内填泡沫塑料外覆玻璃钢的结构形式，一般在大 型风力发电机上使用。叶片纵梁的钢管及D型型钢从叶根至叶尖的截面逐渐变小，以满足叶片的扭矩要求并 减轻叶片重量，即做成等强度梁。
铝合金等弦长 挤压成型叶片
• 用铝合金挤压成型的等弦长挤压成型叶片易于制造，可连续生产，又可按设计要求的扭曲进行扭曲加工， 叶根与轮毂连接的轴及法兰可通过焊接螺栓来实现。铝合金叶片重量轻，易于加工，但不能做到从叶根至 叶尖渐缩的叶片，因为技术不行。