风力机叶片的设计
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r = n R / (30U1 )
240 3.14 1.4 = 30 7.8 =4,51
(4)计算各截面的周速比
r 80 =0.26 0 = r × 0 =4.51× R 1400 r 170 0.55 1 = r × 1 = 4.51 R 1400 r 260 2 = r 2 4.51 0.84 R 1400 r 350 3 = r 3 4.51 1.13 R 1400 r 440 4 r 4 4.51 1.42 R 1400 r 530 5 r 5 4.51 1.71 R 1400 r 620 6 r 6 4.51 2.00 R 1400 r 710 7 r 7 4.51 2.29 R 1400
对每个叶素来说，其速度可以分解为垂直于风轮旋转平面的分量 Vy 0 和平行风轮旋转平面的分量 Vy 0 ，速度三角形和空气动力分量 如图 2-3 所示。图中：Φ 角为入流角， 为迎角， 为叶片在叶素处的几何扭角。
合成气流速度 V0 引起的作用在长度为 dr 叶素上的空气动力 dFa 可以 分解为法向力 dFn 和切向力 dFt ， dFa 和 dFt 可分别表示为
（5） 、确定各个截面的安装角和弦长。
1）、确定翼型的设计升力系数和最佳攻角
2）、应用Glauert方法设计
1）、确定翼型的设计升力系数和最佳攻 根据Profili软件输入翼型型号 NACA23012,可得到表3-1和图3-1、图3-2、图3-3及图3-4如下所示 角
Alfa -8 -7.5 -7 -6.5 -6 -5.5 -5 -4.5 -4 -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 Cl -0.7451 -0.7144 -0.679 -0.6395 -0.5674 -0.492 -0.4268 -0.355 -0.2778 -0.223 -0.1688 -0.1176 -0.0773 -0.0315 0.017 0.1182 0.1677 0.2293 0.2927 0.3685 0.438 0.5114 0.5873 0.6512 0.6972 0.7421 0.7887 0.8339 0.8779 0.9256 0.9716 1.0162 1.065 Cd 0.0241 0.021 0.0194 0.0179 0.0167 0.0154 0.0131 0.0121 0.0115 0.0103 0.0099 0.0093 0.0074 0.0067 0.0065 0.0066 0.007 0.0074 0.0079 0.0084 0.0089 0.0093 0.0097 0.01 0.0103 0.0107 0.011 0.0114 0.012 0.0123 0.0127 0.0134 0.0137 Cl/Cd -30.917 -34.019 -35 -35.7263 -33.976 -31.9481 -32.5802 -29.3388 -24.1565 -21.6505 -17.0505 -12.6452 -10.4459 -4.7015 2.6154 17.9091 23.9571 30.9865 37.0506 43.869 49.2135 54.9892 60.5464 65.12 67.6893 69.3551 71.7 73.1491 73.1583 75.252 76.5039 75.8358 77.7372 Cm -0.0119 -0.0078 -0.0043 -0.0014 -0.0049 -0.009 -0.0111 -0.0145 -0.0188 -0.018 -0.017 -0.0154 -0.0128 -0.0104 -0.0081 -0.0043 -0.0019 -0.0026 -0.004 -0.0083 -0.0113 -0.0154 -0.0199 -0.0219 -0.0203 -0.0183 -0.0166 -0.0147 -0.0125 -0.011 -0.0093 -0.0075 -0.0063
r 800 8 r 8 4.51 2.58 R 1400 r9 890 9 r 4.51 2.87 R 1400 r 980 10 r 10 4.51 3.16 R 1400 r 1070 11 r 11 4.51 3.45 R 1400 r 1160 12 r 12 4.51 3.74 R 1400 r 1250 13 r 13 4.51 4.03 R 1400 r 1340 14 r 14 4.51 4.32 R 1400 r 1400 15 r 5 4.51 4.51 R 1400
dT
1 2 Bcv 0 Cn dr 2
（2-3） 式中 B--叶片数。 作用在风轮平面 dr 圆环上的转矩为
dM
（2-4）
1 2 Bcv 0 Ct rdr 2
（二）相关参数确定
（三）叶片的设计过程
（1）计算风轮直径。利用公式 D= 8Pu / C pU1312
8 500 = 1.225 3.14 7.83 0.4 0.72
r
叶片半径 ri 80 170 260 350 440 530 620 710 800 890 980 1070 1160 1250 1340 1400
攻角 α
i
升力系数 周速比 Cli 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 λ
阻力系 数 Cdi 0.0149 0.0149 0.0149 0.0149 0.0149 0.0149 0.0149 0.0149 0.0149 0.0149 0.0149 0.0149 0.0149 0.0149 0.0149 0.0149
升阻比 Cli/Cdi 77.740 77.740 77.740 77.740 77.740 77.740 77.740 77.740 77.740 77.740 77.740 77.740 77.740 77.740 77.740 77.740
由表格可知 该翼型的最 佳攻角为9.5， 设计升力系 数为1.1583， 阻力系数为 0.0149，最大 升阻比为 77.7383
ห้องสมุดไป่ตู้
图3-1
图3-2
图3-3
图3-4
2）、应用Glauert方法设计
截面编号 轮毂半径 尖速比 i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 rhub 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 λ
dFn
（2-1）
2 1 cV0 Cn dr 2
dFt
其中
2 1 cV0 Ct dr 2
——空气密度； c——叶素剖面弦长； ； e、q——分别表示
法向力系数和切向力系数，即
Cn Cl cos Cd sin
（2-2）
Ct Cl sin Cd cos
这时，作用在风轮平面 dr 圆环上的轴向力可表示为
9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5
0.258 0.548 0.838 1.128 1.417 1.707 1.997 2.287 2.577 2.867 3.157 3.447 3.737 4.027 4.317 4.510
Cp Cpi 0.251 0.399 0.474 0.515 0.539 0.553 0.563 0.569 0.574 0.577 0.580 0.582 0.583 0.585 0.586 0.586
Clbl/r Clbl/ri 9.101 6.125 4.143 2.883 2.079 1.552 1.194 0.943 0.761 0.626 0.524 0.444 0.381 0.330 0.289 0.265
风电机组设计
第三组
( 一) (二) ( 三) (四) ( 五)
设计理论 相关参数确定 叶片的设计过程 总结 主要参考文献
（一）设计理论
叶素理论
叶素理论的基本出发点是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素。假设在每个叶素上的流动相互之间没有干 扰，即叶素可以看成是二维翼型，这时，将作用在每个叶素的力和力矩沿展向积分，就可以求得作用在风轮上的力和力矩。
β β
i
c ci 209.578 299.734 310.062 290.472 263.321 236.723 213.066 192.696 175.315 160.474 147.741 136.745 127.182 118.807 111.423 106.971
φ 角的弧度 φ i*П /180 0.87904697 0.713176425 0.582374734 0.483693516 0.40960645 0.353225899 0.309460713 0.274779736 0.246761386 0.223729772 0.204505266 0.188241327 0.174318549 0.162275277 0.151761481 0.145466244
计入阻力 Cpi(ε )
相对半径 r/R
40.866 31.362 23.868 18.214 13.969 10.738 8.231 6.244 4.638 3.319 2.217 1.285 0.488 -0.202 -0.805 -1.165
0.24459347 0.057142857 0.388453658 0.121428571 0.461072156 0.185714286 0.499144023 0.25 0.519935975 0.314285714 0.531577733 0.378571429 0.538065437 0.442857143 0.541478395 0.507142857 0.542962221 0.571428571 0.543182075 0.635714286 0.542542496 0.7 0.541299677 0.764285714 0.539621688 0.828571429 0.537622229 0.892857143 0.535380318 0.957142857 0.533779476 1
i
中间变量 θi 1.131 1.214 1.280 1.329 1.366 1.394 1.416 1.433 1.447 1.459 1.469 1.477 1.484 1.490 1.495 1.498
k ki 0.439 0.398 0.374 0.361 0.353 0.348 0.344 0.342 0.340 0.339 0.338 0.337 0.337 0.336 0.336 0.336
=2.8m 则风轮半径 R=1.4mm。
(2)计算叶片长度。假设轮毂半径为 80mm，那么叶片长度 Lb 为
Lb =R- rhub =1400-80=1320mm
(3)等分叶片。把它分成 15 等份，则每等份为 88mm，取成整数后可以把前 14 个 截面段分为 90mm，这样，最后一个截面段为 60mm。 计算各截面周速比。首先计算出额定叶尖速比 r
φ φi 50.366 40.862 33.368 27.714 23.469 20.238 17.731 15.744 14.138 12.819 11.717 10.785 9.988 9.298 8.695 8.335
4.51 4.51 4.51 4.51 4.51 4.51 4.51 4.51 4.51 4.51 4.51 4.51 4.51 4.51 4.51 4.51
h hi 3.626 1.951 1.492 1.298 1.198 1.141 1.105 1.081 1.064 1.052 1.043 1.037 1.031 1.027 1.024 1.022
λ e λ ei 0.828 1.156 1.518 1.904 2.303 2.712 3.128 3.547 3.970 4.395 4.821 5.249 5.678 6.108 6.539 6.826
240 3.14 1.4 = 30 7.8 =4,51
(4)计算各截面的周速比
r 80 =0.26 0 = r × 0 =4.51× R 1400 r 170 0.55 1 = r × 1 = 4.51 R 1400 r 260 2 = r 2 4.51 0.84 R 1400 r 350 3 = r 3 4.51 1.13 R 1400 r 440 4 r 4 4.51 1.42 R 1400 r 530 5 r 5 4.51 1.71 R 1400 r 620 6 r 6 4.51 2.00 R 1400 r 710 7 r 7 4.51 2.29 R 1400
对每个叶素来说，其速度可以分解为垂直于风轮旋转平面的分量 Vy 0 和平行风轮旋转平面的分量 Vy 0 ，速度三角形和空气动力分量 如图 2-3 所示。图中：Φ 角为入流角， 为迎角， 为叶片在叶素处的几何扭角。
合成气流速度 V0 引起的作用在长度为 dr 叶素上的空气动力 dFa 可以 分解为法向力 dFn 和切向力 dFt ， dFa 和 dFt 可分别表示为
（5） 、确定各个截面的安装角和弦长。
1）、确定翼型的设计升力系数和最佳攻角
2）、应用Glauert方法设计
1）、确定翼型的设计升力系数和最佳攻 根据Profili软件输入翼型型号 NACA23012,可得到表3-1和图3-1、图3-2、图3-3及图3-4如下所示 角
Alfa -8 -7.5 -7 -6.5 -6 -5.5 -5 -4.5 -4 -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 Cl -0.7451 -0.7144 -0.679 -0.6395 -0.5674 -0.492 -0.4268 -0.355 -0.2778 -0.223 -0.1688 -0.1176 -0.0773 -0.0315 0.017 0.1182 0.1677 0.2293 0.2927 0.3685 0.438 0.5114 0.5873 0.6512 0.6972 0.7421 0.7887 0.8339 0.8779 0.9256 0.9716 1.0162 1.065 Cd 0.0241 0.021 0.0194 0.0179 0.0167 0.0154 0.0131 0.0121 0.0115 0.0103 0.0099 0.0093 0.0074 0.0067 0.0065 0.0066 0.007 0.0074 0.0079 0.0084 0.0089 0.0093 0.0097 0.01 0.0103 0.0107 0.011 0.0114 0.012 0.0123 0.0127 0.0134 0.0137 Cl/Cd -30.917 -34.019 -35 -35.7263 -33.976 -31.9481 -32.5802 -29.3388 -24.1565 -21.6505 -17.0505 -12.6452 -10.4459 -4.7015 2.6154 17.9091 23.9571 30.9865 37.0506 43.869 49.2135 54.9892 60.5464 65.12 67.6893 69.3551 71.7 73.1491 73.1583 75.252 76.5039 75.8358 77.7372 Cm -0.0119 -0.0078 -0.0043 -0.0014 -0.0049 -0.009 -0.0111 -0.0145 -0.0188 -0.018 -0.017 -0.0154 -0.0128 -0.0104 -0.0081 -0.0043 -0.0019 -0.0026 -0.004 -0.0083 -0.0113 -0.0154 -0.0199 -0.0219 -0.0203 -0.0183 -0.0166 -0.0147 -0.0125 -0.011 -0.0093 -0.0075 -0.0063
r 800 8 r 8 4.51 2.58 R 1400 r9 890 9 r 4.51 2.87 R 1400 r 980 10 r 10 4.51 3.16 R 1400 r 1070 11 r 11 4.51 3.45 R 1400 r 1160 12 r 12 4.51 3.74 R 1400 r 1250 13 r 13 4.51 4.03 R 1400 r 1340 14 r 14 4.51 4.32 R 1400 r 1400 15 r 5 4.51 4.51 R 1400
dT
1 2 Bcv 0 Cn dr 2
（2-3） 式中 B--叶片数。 作用在风轮平面 dr 圆环上的转矩为
dM
（2-4）
1 2 Bcv 0 Ct rdr 2
（二）相关参数确定
（三）叶片的设计过程
（1）计算风轮直径。利用公式 D= 8Pu / C pU1312
8 500 = 1.225 3.14 7.83 0.4 0.72
r
叶片半径 ri 80 170 260 350 440 530 620 710 800 890 980 1070 1160 1250 1340 1400
攻角 α
i
升力系数 周速比 Cli 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 1.158 λ
阻力系 数 Cdi 0.0149 0.0149 0.0149 0.0149 0.0149 0.0149 0.0149 0.0149 0.0149 0.0149 0.0149 0.0149 0.0149 0.0149 0.0149 0.0149
升阻比 Cli/Cdi 77.740 77.740 77.740 77.740 77.740 77.740 77.740 77.740 77.740 77.740 77.740 77.740 77.740 77.740 77.740 77.740
由表格可知 该翼型的最 佳攻角为9.5， 设计升力系 数为1.1583， 阻力系数为 0.0149，最大 升阻比为 77.7383
ห้องสมุดไป่ตู้
图3-1
图3-2
图3-3
图3-4
2）、应用Glauert方法设计
截面编号 轮毂半径 尖速比 i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 rhub 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 λ
dFn
（2-1）
2 1 cV0 Cn dr 2
dFt
其中
2 1 cV0 Ct dr 2
——空气密度； c——叶素剖面弦长； ； e、q——分别表示
法向力系数和切向力系数，即
Cn Cl cos Cd sin
（2-2）
Ct Cl sin Cd cos
这时，作用在风轮平面 dr 圆环上的轴向力可表示为
9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5
0.258 0.548 0.838 1.128 1.417 1.707 1.997 2.287 2.577 2.867 3.157 3.447 3.737 4.027 4.317 4.510
Cp Cpi 0.251 0.399 0.474 0.515 0.539 0.553 0.563 0.569 0.574 0.577 0.580 0.582 0.583 0.585 0.586 0.586
Clbl/r Clbl/ri 9.101 6.125 4.143 2.883 2.079 1.552 1.194 0.943 0.761 0.626 0.524 0.444 0.381 0.330 0.289 0.265
风电机组设计
第三组
( 一) (二) ( 三) (四) ( 五)
设计理论 相关参数确定 叶片的设计过程 总结 主要参考文献
（一）设计理论
叶素理论
叶素理论的基本出发点是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素。假设在每个叶素上的流动相互之间没有干 扰，即叶素可以看成是二维翼型，这时，将作用在每个叶素的力和力矩沿展向积分，就可以求得作用在风轮上的力和力矩。
β β
i
c ci 209.578 299.734 310.062 290.472 263.321 236.723 213.066 192.696 175.315 160.474 147.741 136.745 127.182 118.807 111.423 106.971
φ 角的弧度 φ i*П /180 0.87904697 0.713176425 0.582374734 0.483693516 0.40960645 0.353225899 0.309460713 0.274779736 0.246761386 0.223729772 0.204505266 0.188241327 0.174318549 0.162275277 0.151761481 0.145466244
计入阻力 Cpi(ε )
相对半径 r/R
40.866 31.362 23.868 18.214 13.969 10.738 8.231 6.244 4.638 3.319 2.217 1.285 0.488 -0.202 -0.805 -1.165
0.24459347 0.057142857 0.388453658 0.121428571 0.461072156 0.185714286 0.499144023 0.25 0.519935975 0.314285714 0.531577733 0.378571429 0.538065437 0.442857143 0.541478395 0.507142857 0.542962221 0.571428571 0.543182075 0.635714286 0.542542496 0.7 0.541299677 0.764285714 0.539621688 0.828571429 0.537622229 0.892857143 0.535380318 0.957142857 0.533779476 1
i
中间变量 θi 1.131 1.214 1.280 1.329 1.366 1.394 1.416 1.433 1.447 1.459 1.469 1.477 1.484 1.490 1.495 1.498
k ki 0.439 0.398 0.374 0.361 0.353 0.348 0.344 0.342 0.340 0.339 0.338 0.337 0.337 0.336 0.336 0.336
=2.8m 则风轮半径 R=1.4mm。
(2)计算叶片长度。假设轮毂半径为 80mm，那么叶片长度 Lb 为
Lb =R- rhub =1400-80=1320mm
(3)等分叶片。把它分成 15 等份，则每等份为 88mm，取成整数后可以把前 14 个 截面段分为 90mm，这样，最后一个截面段为 60mm。 计算各截面周速比。首先计算出额定叶尖速比 r
φ φi 50.366 40.862 33.368 27.714 23.469 20.238 17.731 15.744 14.138 12.819 11.717 10.785 9.988 9.298 8.695 8.335
4.51 4.51 4.51 4.51 4.51 4.51 4.51 4.51 4.51 4.51 4.51 4.51 4.51 4.51 4.51 4.51
h hi 3.626 1.951 1.492 1.298 1.198 1.141 1.105 1.081 1.064 1.052 1.043 1.037 1.031 1.027 1.024 1.022
λ e λ ei 0.828 1.156 1.518 1.904 2.303 2.712 3.128 3.547 3.970 4.395 4.821 5.249 5.678 6.108 6.539 6.826