小型高速风力机风轮叶片的 综合设计与检测

CCDL 值，它有较高的气动效率，这正是我们设 计者首先追求的性能指标；另外它的翼型曲 线迎风面一侧几乎为直线，只要预先测得翼 型曲线图上几何弦线与此近似直线边的夹 角，就可以间接地测量叶片成品上该截面的 桨距角，这对成品叶片的桨角（扭角）检测 是十分方便的。否则，像其他一些双面弧线 的翼型，由于几何弦线两侧均为曲线，一旦 叶片或模具做成后，某个剖面几何弦线的桨 角是非常难以直接测量的，必须间接地通过 测量前后缘点与基准面的高度来计算桨角。 但是，这个前后缘点难以精确测定，测得的 数据可信度低，因此，计算结果不准确。所以， 选用 NACA44×× 系列翼型更容易监控叶片 的制造质量，从而保证了叶片外形的制造精 度和气动性能。
式中：风轮旋转角速度
ω= 2π n = π n（rad） 60 30
则有：λ R=
πn RR 30V R
式中：nR 为风轮额定转速（r/min）
周速比λR 是叶片设计的重要参数之一。
目前，发电用的小型高速风力发电机的叶尖
周速比均为 λR ≥ 6~8。一般而言，具有较
高周速比的风轮，其效率相应较高。而同一
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VR 的设定依据是产品安装使用地区的风能资 源，也就是年平均风速（V m）的高低。上世 纪八十年代初期，许多设计者常以 2 Vm 值作 为该地区通用小型风电机组 VR 的设计值。 后来，国家颁布了《离网型风力发电机组设 计通用要求》，其中的 6.1.1 条明确规定了 V R 的推荐值，为 V R 的选定提供了依据。
3.4 风轮实度 σ
风轮实度是指风轮叶片在旋转平面上 的投影面积之和与风轮扫掠面积之比。它也 是叶片设计的重要参数。风轮实度与叶尖周 速比密切相关。实度大的风轮，或者是叶片 翼 弦 长、 叶 片 较 宽， 或 者 是 叶 片 数 目 多； 这种风轮输出力矩大，但高速性能差，多用 于低速风电机组。相反，实度小的风轮适用 于高速旋转的风力机，其效率要高一些，而 且与其配套的发电机因转速高，体积小，成 本较低。目前，小型风力发电机组的风轮实 度大多在 5% 左右。例如，一些权威性文献 上提供的周速比与实度关系曲线上，对应于 λR=7 的实度值 σ=4% ～ 7%，而 λR=8 时， σ=3% ～ 5%，都给出了 BIN 区间值。在具 体设计时，应当 σ 在允许的区间内。在已 往的叶片设计中，一般选取区间内较大的 σ 值，以确保风轮具有较大的转动力矩，使启 动风速及切入风速相对低一点，从而提高机 组的年输出电量，增大经济效益。实度小的 风轮叶片制造成本相应低一点，而且可适当 增大风轮叶片桨角来增大启动力矩，弥补实 度偏小带来的缺陷。
2. 叶片设计的关键
先进的翼型和正确的外形设计方法是叶 片设计的关键。就翼型而言，目前风力发电 机组采用的叶片翼型均是高速高效的升力型 翼型。其中主要翼型有 NACA[ NACA（National Advisory Committee for Aeronautics） — 美 国 国家航空咨询委员会 ]×××× 四位数翼型 和 NACA××××× 五 位 数 翼 型， 还 有 GO 翼型以及 FX 翼型等。但总的来看，还是美 国 的 NACA 翼 型 族 被 采 用 者 居 多， 尤 其 是 NACA44×× 系列翼型应用最广泛。因为这 种翼型具有良好地气动特性和高的升阻比
式中：空气密度 ρ，一般取标准状态 下 ρ=1.225kg/m3；
机组效率 C P，一般按 C P=0.3 来预估。 由此可初步算得风轮直径D（或半径R ）。
3.3 风轮叶尖额定周速比 λR
叶尖额定周速比的定义是“输出额定功
率时风轮叶尖圆周速度 ω R 与额定风速 V R 之 比”。即：
λ R=
ωR VR
λ=λR· Rr ；
（4）利用公式“cotФ = 32λ 求得各截 面的来流角 φ：
φ=tan-1· 32λ （°）；
（5）利用下式计算出各截面的形状参
数N。
N
R/r = ；
λ R λ R2（ Rr ）2 +
4 9
（6）选取翼型并根据翼型资料提供的 性能曲线查得对应于最高升阻比 CL/CD 的攻 角 αn 及此攻角下的升力系数 CL；同时查得 升力系数 CL=0 时的攻角 α0 值供后面的计 算之用。此时应注意：NACA44×× 系列翼 型资料给出的性能曲线有对应于不同雷诺 数 Re 的若干条，而 Re 的大小与叶片表面 光滑程度有关。设计中一般取适中的雷诺数 Re=5×105~5×107 对 应 的 CL/CD，CL 曲 线 来 确定 α0 及 CL。
图。
（13）根据外形图计算叶片在旋转平面
上的投影面积 S1，并计算风轮实度 σ。
σ=
B·S1 πR 2
式中 B 为叶片数目。
如果算得 σ 值在其推荐范围内即为合
格。否则，还应进一步修正叶片的弦长来改
变投影面积 S1，使实度 σ 符合设计要求。 设计中，应将上述各步骤的计算结果列
成表格，以便对数据进行审核、修正、对比
进行适当修正；原则同弦长修正；只对 0.3R
（大至 0.4R）之内的根部过大扭角进行线性
修正，其外部分应保持或极近计算值，以确
保叶片具有高的气动效率。
（11）根据选用翼型曲线的相对坐标数
据 t 及 rL 分别乘以各截面已确定的几何弦长 C，求得各截面曲线的实际厚度 t 及前缘半径
rL，并据此绘制各截面的翼型曲线。 （12）根据上述计算结果绘制叶片外形
4. 叶片外形设计方法及步骤
在已知设计风速 VR、风轮半径 R、叶尖 速比 λR 及叶片数目 B 的前提下，参照风轮 实度 σ 的推荐范围，即可进行叶片的外形 设计了。W 设计的内容包括计算确定叶片展 向各叶素剖面的半径 r、几何弦长 C、桨角（扭 角）θ、选取翼型决定叶片厚度 t 及前缘半 径 rL。目前通常采用的设计方法有“简化设 计方法”、“Glauert 优化设计方法”及“Wilson 设计法”。笔者经常采用其中的“简化设计 方法”。因为这种方法简洁明了，步骤清晰， 计算便捷。下面仅将此设计方法加以详解， 供有兴趣的读者参阅。
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技术交流
3.5 风轮叶片数目 B
风轮叶片数目多寡与其周速比密切相 关。低周速比的风轮可以有数目多的叶片， 反之亦然。目前，小型（乃至大型）风力发 电机组风轮叶片一般为 2 ～ 3 片，尤以 3 片 居多。因为 3 片叶片风轮受塔影效应（尤其 是下风式）和风切变影响较小，运行比较平 稳，能量输出相对稳定，能更好地满足使用 要求。但叶片数目的多寡又与风轮制造成本 相关联。同样实度的风轮，叶片数目多者叶 片相应就窄些，其重量及造价低一些；另一 方面，轮毂叶柄数目相应增加，尤其是对于 变桨距调节的风轮，与叶片相联结的变桨机 构的增加势必增大制造成本。权衡利弊，还 是 3 叶片风轮最适合发电用机组使用。所以， 目前国内外从小型到大型风力发电机组几乎 都是 3 叶片风轮。
（8）利用下面的公式计算叶片的平均 弦长 C 及展弦比 SP：
C= ∑110 1C0 （m）
SP= R
C
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（9）利用前面查知的 α0 由下式计算 出修型后的临界攻角 αn：
αn=α0+ 0C. 1L1 ×（1+ S3P ）（°）
（10） 由 关 系 式“φ=θ+αn” 导 得 “θ=φ-αn” 以 求 出 叶 片 修 型 后 各 截 面 弦 线的扭角（桨角）θ，并且对算得的扭角 θ
（7）利用下式计算各截面翼型曲线的 几何弦长 C：
C= r· N （m）； CL·B
此处算得的各截面的几何弦长是理想 值，而叶根部分的 C 值往往偏大，所以还要 进行工艺性修正。修正的原则是确保 0.3R（最 大至 0.4R）之外的弦长等于或极近理想值， 仅对根部过大的弦长进行适当减小修正，以 免根弦过大而增加制造成本。
上面介绍的简化设计方法简洁、明了，
只要所设计的叶片气动性能要求不太高，这
种设计方法还是很可靠的。依此设计成的叶
片效率可达 0.4 以上。实践证明，采用此方
法设计的叶片完全能满足小型风电机组的需 要。
5. 风轮叶片的技术要求
前面仅是给出了叶片的外形设计方法， 据此可以设计出具有合理外形的叶片，然而 设计工作还未完成。设计的目的在于实践应 用，必须将设计的叶片制造出来供风电产品 应用。这就必须给出叶片加工制造、配套应 用方面的技术要求及成品检测方法，否则就 难以制造出能够实际应用的叶片成品。
技术交流
小型高速风力机风轮叶片的 综合设计与检测
文 / 肖占俊
1. 综述
风轮是风力机械做功的部件，而风轮做 功靠的是叶片。因此，叶片是风力机械的核 心部件。同一地点安装的风轮直径相等、安 装高度相同的两台风力机，各自出功大小、 效率高低、运行质量优劣等多方面的区别， 完全取决于各自所用叶片的设计与制造质 量。当然，还有安装与调速控制方面的因素。 但根本原因还是叶片的翼型选择是否先进， 叶片的外形设计是否合理，技术要求是否满 足使用要求，制造质量是否符合设计要求等。 所以，风力机的性能指标优劣与否，关键是 叶片的设计与技术要求。
பைடு நூலகம்基于上述理由，我国在过去 30 多年的 研发设计中，采用 NACA44×× 翼型（主要 以 NACA4415 和 NACA4418 两种）居多。
3. 叶片外形设计所需参数
3.1 额定风速（VR）的确定
VR 是风轮叶片设计的主参数之一。在 机组额定功率已确定的前提下，VR 直接影响 到风轮直径大小和整机制造成本。严格地讲，
总之具有高周速比的风轮叶片翼弦相对 短一些，叶片整体窄一些，因而制造成本相 对低一点。但是，风轮的起动力矩相对较小， 从而使机组的起动风速 V0 要高一点。设计 叶片时要统筹考虑，权衡利弊，进行优化设 计，以确保叶片的综合性能满足使用要求。
风轮直径：D = 8 P R （m） ρV R3C P
简化设计方法共分下面 13 个步骤。 （1）计算风轮半径
R= 2P R （m）； πρV R3C P
（2）在拟定风轮转速 nR 的前提下，计 算风轮周速比 λ R；
λ
R=
πn RR 30V R
（3）将叶片展向按 r/R=0.1 分割成 10 个截面并计算出各截面的半径 r 及周速比λ：
5.1 重量配套要求及称重方法
安装在同一风轮上的 B 件叶片谓之一副 （套），其配套原则是“重量相等，重心位 置相同。”由于生产制造数量所限，目前， 小风力发电机组风轮叶片多为手工操作生 产，结果是叶片单体重量各异，难以满足上 述配套要求。作为叶片设计者，必须给出每 套叶本重量偏差及重心位置偏差。依据是按 照 GB9239-1988《刚性转子平衡品质许用不 平衡量的确定》的规定，按所设计的风轮重 量（质量）、转速、支承结构形式及允许的 平衡等级来计算风轮的“许用静不平衡量（力 矩），再根据叶片的重心半径 Rg 计算出叶片 重量允差△ G，此△ G 值就是配套的一副叶 片之间的重量差。然而，此重量差还不能简 单称量、比较而定，心须按叶片大小头（专 指通常用的展向变截面叶片）重量来分配。 即大头为 23 △ G，小头为 13 △ G。而叶片称 重方法应是以大端为支点称小头之重时允差 小于 13 △ G，以小头为支点称大头之重时允 差 2 △ G。
和绘图使用。表格的纵向左侧依次为 r/R、r、
λ、φ、N、C、C'、C、SP、αn、θ、θ'、 α，与此对应的横向上列列出 10 个截面的
计算值，其中的 C' 及 θ' 为弦长及扭角的修
正值，最后一项 α 为设计叶片 10 个剖面的
攻角；只要在 0.3R ～ 0.4R 之外的各剖面的
攻角 α 与 αN 差别小于 0.5 度，说明上述的 设计工作是正确的。
3.2 风轮直径 D（或半径 R）
风轮直径 D 是根据风力发电机组设定的 额定输出功率（PR）、已设定的额定风速 VR 和预定的机组风电转换效率（C P）算得的。 基本关系式：
额定功率：P R= 12ρV R3 π4 D 2C P （W）
风轮运行在较高λR 值时，其效率相应较高。 预设定λR 值后，即可根据已设定的参数D（或 R）及 VR 来算得风轮的额定转速 nR。对于直 驱式机组，nR 就是配套的发电机的额定转速。 如 果 nR 值 与 现 行 国 标“GB/T10760.1-2004 《离网型风力发电机组用发电机 技术条件》 标定的发电机额定转度不相符合，则应选定 相近的电机转速来最终算得实际的叶尖速比 λR 值，作为叶片设计的最终依据。