大型变截面翼型叶片与气动性能优化分析

＋ ８ 。 ６ 刀ｃ ｓ
忽略叶片翼型阻力， 由式 （） （） ５ 和 ６可得： ａ１ａ）ｂ１ｂ入ｚ （－Ｆ＝ （＋ ） （） ７ 风轮半径 ｒ 处叶素上功率输 出量为：
图一 叶片 沿展 向长度 的相对 厚 度分布
２ ． ２叶片弦长和扭角的计算
ｄ ＝ Ｍ＝ １ ＰＶ∞ （－ ）ｒ ｒ Ｐ ｍｄ ４ １ Ｆｂ￣ Ｔ ａ ｄ
得 的风 能利用 系数是 成功 的 。从 图三 中看 出变 截 面 未 修正 弦长 靠近 轮毂 处达 到 ６Ｏ 与 实 际 叶片 相差 ． ｍ，
很 大， 增加 了叶片 的总重量 ， 叶片 的加工 和安 装带 给
来 了很大 困难 。从 图 四中看 出变 截面 未修 正翼 型 叶 片 根部 扭角也较 大 ， 导致结 构不 稳定 。 因此需要 对 叶 片弦长 和扭 角进行适 当修 正 。 ２３叶片 弦长和 扭角 的修 正 －
～ 圭
：
－
ａ， 尖 伤 数 。 计 气 力 由 （ 、 、 叶 损 系 Ｆ不 空 阻 ， 式１ ｂ ０ ）
（ （）算 叶 弦 ｃ 扭 ｅ］ 变 面 型 ９ １计 得 片 长 和 角 ［其 截 翼 ） １ ４ 。
叶片风能利用系数、弦长和扭角优化计算结果如图
二 ～图Ｉ Ｎ所示 。
￣（ａ 以 ｂ ） １ｔ －
的相对厚度分布曲线如图一所示： 相对厚度
佃。
— ｓ ｉ ｎ
＝ — — — — — — 一
、 塞 ｌ １ Ｊ Ｈ Ｊ
蚕扣
、
＿ （） ６ 。 ｏ ｒ 片展 向长 度 ２ ｏ ∞ ∞
由 ２ ４可 式（ 和（ 得： ） ）
ｂ Ｆ
一
Ｎｃ Ｃｙ
（ 的 布 风力机叶片产生功率的主要区域在 叶片展 叶 ２ ） 分～ … …… ’ … … ……… …… 片 ’
与 鲁
—、 ．
； ｅ： ｉ ｖ（ ａＶ ＣＳ ＝） １ｂ ； 空 向７％ ｇ ｐ ｓ ＝ ．／； Ｏ （ｒ ＋） Ｐ． ｎ １） ＾（ ／ ５ 附近， 要求配置的翼型在某一攻角范围内 升
角速度 １．ａ／。 ７３ ｄｓ ｒ
大
型
截 又
＾ ｚ ｓ ｃｓ ，ｃｃ ，Ｉ （ ｏ ＋ １ ｉ
２
．
ｒ 】 、
一
２ 变 面 ｌ选 ・ 截 翼型的 择 １
变截面翼型的选择是指不同的翼型沿叶片展 向
。
面 翼
型
ｄ １ （ Ｃｃ ｄ Ｍ 主 一Ｌ 一Ｄｓｃ ｓ 嘶 Ｃｉ ｎ ｏ）ｒ
图三的叶片弦长分布曲线 中， 叶片展 向 ７％ 沿 ５
附近是主要产生功率区域， 叶片弦长应接近原始值 。
图二 风能利用系数分布 越接近原始值， 修正造成的能量损失越小； 靠近轮毂 处是叶片质量集中区域， 对风轮功率输出影响不大。 优化叶片弦长要适当减小， 可减轻叶片总重量， 降低
成本 。 四的叶片 扭角分 布 曲线 中， 图 根部 扭 角减小 能
增加风轮功率输出， 但同时增大了轴向推力， 缩短 叶
片 的使 用 寿命 。
３ 叶片的气动性能计算分析
为研究 变截 面翼型 叶片 气动性 能 ，验证 桨 叶气 动外 形设计 的优 劣，选 取变 截面翼 型 叶片 与单 一翼
型叶片分别进行气动性能的计算 比较，对设计的风
图三 叶片 弦长分 布
气密 度 （ ／ ，； ． ｋ ｍ ）Ｖ 来流 风速 （ ｓ； Ｌ升力 系数； ｇ ｎ ）Ｃ ． ｖ Ｃ 旷阻力系数 ；． ｃ 叶素弦长。 根据动量理论， 考虑叶尖损失， 可得风轮平面处 ｄ 的推力和转矩［ ： ｒ 】 － ２ １ ｄ ＝ Ｔ ＰＶ （ ａ）Ｆｄ Ｔ ４Ｔ ２１ Ｆ ａｒｒ 一 ｄ － ＴＰ Ｖ （－ ）Ｆ￣ Ｍ－ Ｔ ｍ １ Ｆ ｂｒ ｒ ４ ａ ｄ （） ３ （） ４ 力系数较高， 而相应的阻力系数较小。 从根部到叶尖 布置的翼型都要有 良好的气动特性，一般根部采用 的相对厚度较大的翼型， 有较大的升力系数 ； 而叶尖 多采用相对厚度较小的翼型，最大升力和最小阻力 都较小同 。本文中叶片尖部采用 Ｎ Ｃ ６—ｘ Ａ Ａ ３ ｘ系列 ２ 翼型，中间部分采用的是 Ｆ Ａ Ｗ３系列的翼型， Ｆ－ 根
动
性 优
能 化 析 分
其中： 风轮转动角速度 （ ｄ ） ｔ ｏ． ｒ／ ； ａ ｓ
ａ轴 向诱导因子；． ． ｂ 切向诱导 因子； ＦＰａｄ 气动损失修正子。 －ｒ ｔ ｎｌ 由式 （） （） １和 ３ 可得 ：
一
ห้องสมุดไป่ตู้
部采用 Ｄ Ｕ系列翼型组合， 轮毂部分为 圆截面。 叶片
由式 （） ８ 得到： 叶片展向风能利用系数： 待 ’
，
（） ８
为使风力机的输出功率系数最大，求在约束条
件 （ 下目 ７ ） 标函数 （） ９ 的最优化极值 。 利用 Ｍａａ 有 ｔｂ ｌ 约束非线性最值函数优化计算每个截面的诱导因子
ｄ Ｐ
４ ∞（ 。 ） ３ ２ 一 Ｆｂ ｄ １ ，ｒ
８
２ 变截 面翼 型 叶片外 形设 计
入、 叶片直径
、｝ ． 片翼型的选择 、 叶片各截面 的弦
ｃ— ｏａ 妒 磊Ｊ Ｓ
～
０ ＝ ｐ— ｃ ａ
（１ １）
从 图二可 以看 出，考虑 了轮毂和 叶尖 气动 损伤 及 升阻 比的影 响， 叶片展 向 中部 风 能利用 系数 达 到
０ 附近， ． ５ 小于贝兹极限 ０ ９ ， ． ３说明各截面上计算所 ５
没有径 向干扰 。： 号虑轮毂和叶尖气动损失， 采用叶
素一 动量理论建立空气动力学模型。 根据 叶素理论， 考虑法 向力和切 向力的叶尖损
失 ， 风 轮半 径 ｒ 的叶素上 的推 力和 转矩【 得 处 ：
：
长 Ｃ和扭角 ｅ。 １ ＭＷ 风力机为例， 以 ． ５ 其中风力发
电机额定风速 ｖ ｌ． ／ 启动风速为 ３ ／ 切 出风 ＝ １ｍ ｓ ３ ， ｍｓ ， 速 ２ｍ ｓ叶片数为 ３ 风轮直径约为 ７ｍ， ５／ ， ， ７ 风轮转动