风力机叶轮设计.

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
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
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
为叶尖速比---------叶尖圆周速度与风速的比值
3 将 cot 代入 C lnl 的关系式，得到 2
其合力
dF
dL
cos
-------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
，则有
将上式投影到转轴上，设叶片数为n，则轴向推力为
1 v 2 cos( ) dT C ln ldr 2 2 cos sin
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
连续性条件
S1v1 S 2v 2
C lnl
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
，
为小值，所以上式可以再简化为
16 C lnl 9
R r2 4 0 0 2 9 R
2
只需要再确定R和
0 的值即可。
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
D
C d 和C l 分别为阻力系数和升力系数 其中，
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

，则半径为r处叶素的圆周速度 U
r
此时空气通过该位置，与叶轮的相对速度为 同时：
W v U
dD
1 C dW 2ldr 2 1 dL C lW 2ldr 2
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。
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。
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 2v 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 2百度文库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
1 C d Sv 2 2 1 L C lSv 2 2
1 2 P 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
Pmax
1 Sv 13 2

16 0.593 27
-----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
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：
1 E 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
作用在风机上的力
F Sv(v 1v 2 )
风机吸收的功率
P Fv Sv 2(v1 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
v v1 v 2
2
E P
所以，风轮的功率如下
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。