宁强级风能空气动力学课程设计指导书.doc

机 械 与 动 力 工 程 学 院

风力机空气动力学课程设计

设计题目： 风力机叶片气动设计

设 计 人： 宁强

班 级： 风能1201

组 号： 3

指导教师： 姚桂焕

设计时间： 2周

成 绩：

日期：2023.6.29-2023.7.12

引言
风轮是风力机最重要的部件，它是风力机区别于其它动力机的重要标志。其作用是捕获和吸取风能，并将风能转换成机械能，由风轮轴将能量送给传动装置。风轮一般由2-3个叶片、轮毂和风轮轴组成。
叶片是风力机重要的能量转换部件，其设计和制造直接影响风力机发电机组的高效安全运营。风力机的运营效率直接与叶片的空气动力设计有关，涉及叶片长度、翼型、沿纵向翼型的分布和安装角。
叶片的宽度和长度由设计规定的气动特性能、最大叶轮功率和假定的翼型性能及强度因素决定。
风力机叶片运用翼型产生机械能。风力机叶片的横截面外形是翼型。翼型空气特性的好坏直接影响风力机的性能，翼型的形状也影响叶片的主题结构形式。在风力机叶片的翼型参数的设计过程中，各个参数的变化都会对其他参数的设计产生影响。在设计中本着可以使单位叶素有最大的功率运用系数的原则，来选择翼型参数。
    在20世纪七八十年代的风力机设计过程中，很多风力机直接采用了NACA系列中的航空翼型。但风力机的工作条件和飞机有较大的区别，一方面风力机叶片工作时，其攻角变化范围大；另一方面风力机叶片设计要考虑低雷诺数的影响，风力机和飞机工作的雷诺数范围有所不同，其影响将就不完全同样，过去在小型风力机设计中考虑雷诺数较少而是直接选用，以翼弦为特性长度的雷诺数在风轮径向方向是变化的，在大型叶片设计中必须给以考虑。
    设计实践表白，使用航空翼型虽然可以得到很高的升阻比，但是在低雷诺数的环境下，航空翼型容易发生泡式分离，从而使升阻比特性恶化。此外，航空翼型对于表面粗糙度比较敏感，在翼型几何形状由于灰尘、结冰等因素发生变化时，翼型的气动特性往往也会迅速恶化，从而不适于直接作为风力机叶片翼型使用。
    因此，选择翼型常根据以下原则：对于低速风轮，由于叶片数较多，不需要特殊翼型升阻比；对与高速风轮，叶片数较少，应选择在很宽的风速范围内具有较高的升阻比和平稳的失速特性的翼型，对于粗糙度不敏感，以便获得较高的功率系数；此外规定翼型的气动噪声低。
    风轮的转速随风速的增大而变快，而转速超过设计允许值后，将也许导致机组的毁坏或寿命的减少，而有了调速（限速）机构，即使风速很大，风轮的转速仍能维持在一个较稳定的范围之内，防止超速乃至飞车的发生。
风力机的调速（限速）机构大体上有3种基本方式。
1、定桨距失速调节型
    定桨距是指桨叶与轮毂的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。失速型是指桨叶翼型自身所具有的失速特性，当风速高于额定风速，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率减少，来限制发电机的功率输出。为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机（即大/小发电机）。在低风速段运营的，采用小电机使桨叶具有较高的气动功率，提高发电机的运营效率。
    失速调节型的优点是失速调节简朴可靠，当风速变化引起的输出功率的变化只通桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，使控制系统大为简化。
2.变桨距调节型
    变桨距是指安装在轮毂上的叶片通过控制改变其桨距角的大小。当发电机输出功率达成额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。当风速超过额定风速范围时，通过增大叶片桨距角，使得其攻角减小，以改变叶片升力与阻力的比例，达成限制风轮功率的目的。
桨距角调节的优点是桨叶受力较小，桨叶做的较为轻巧。桨距角可以随风速的大小而进行自动调节，因而可以尽也许多的吸取风能转化为电能，同时在高风速段保持功率平稳输出。缺陷是结构比较复杂，故障率相对较高。
3.积极失速调节型
    将定桨距失速调节型与变桨距调节型两种风力发电机组相结合，充足吸取了被动失速和桨距调节的优点，桨叶采用失速特性，调节系统采用变桨距调节。在低风速时，将桨叶节距调节到可获取最大功率位置，桨距角调整优化机组功率输出；当风力机发出的功率超过额定功率后，桨叶节距积极向失速方向调节，将功率调整在额定值以下，限制机组最大功率输出，随着风速的不断变化，桨叶仅需要微调维持失速状态。制动刹车时，调节桨叶相称于气动刹车，很大限度上减少了机械刹车对传动系统的冲击。
积极失速调节型的优点是具有了定桨距失速型的特点，并在此基础上进行变桨距调节。机组在叶片设计上采用了变桨距结构。通过变桨距系统调节限制风力机获取能量，保证发电机功率输出的稳定性，获取良好的动态性能；而变速调节重要用来响应快速变化的风速，减轻桨距调节的频繁动作，提高传动系统的柔性。

1．设计目的：

《风力机空气动力学课程设计》是风能与动力工程专业中重要的实践性教学环节。通过该教学环节，使学生纯熟掌握风力机叶片工作原理，并可以通过结合动量叶素理论相关知识与给定的环境条件设计出工作叶片，巩固和提高其风力机叶片设计及制造知识，树立其理论知识指导设计的工作思想，加深其对现场生产实际的了解，培养其对工程技术问题严厉认真、负责的态度，为其以后从事实际工作打下坚实的基础。

2．设计内容和规定：

一、设计内容：
（1）基于叶素和动量理论设计水平轴风力机叶片；
（2）绘制风力机叶片弦长随叶片展向长度的变化曲线；
（3）绘制风力机叶片扭角随叶片展向长度的变化曲线；
（4）绘制设计风力机的性能曲线；
（5）编写设计说明书，并附上必要的计算公式
（6）分组分别设计出不同翼型的风力机叶片。

二、 设计规定：
（1）掌握风力机叶片设计原理；
（2）掌握风力机叶片设计过程；
（3）完毕拟定风力机叶片的参数；
（4）准时提交课程设计说明书、图纸，准时参与答辩。

3．设计工作任务及工作量的规定
一、对于给定的风力机工作环境以及功率按照NACA给定的参数设计风力机工作叶片
每组同学数据给定情况不同可以采用手算和计算机编程序两种方式进行，在答辩时要提前说明计算方法以及在每种方法中碰到的问题，经教师校验方法对的后方可进行答辩。
二、编制课程设计计算说明书
设计计算说明书中应附上重要计算公式以及合用条件、工作原理、设计方法、系统构成及流程、计算成立条件，字数不少于10000字（至少要8000字），规定条理清楚，逻辑严密，笔迹工整。

4．重要参考文献：
风力机空气动力学. Martin O.L. Hansen（著），肖劲松（译）. 中国电力出版社，2023
风工程与工业空气动力学. 贺德馨. 国防工业出版社，2023
风力机设计理论及方法. 赵丹平. 北京大学出版社, 2023
5．所用基础理论：
根据动量理论，描述作用在风轮上的力与来流速度之间的关系。
根据叶素理论，将风轮叶片沿展向提成许多微段，即叶素，并假设在每个叶素上作用的气流互相之间没有干扰，作用在叶片上的力可分解为升力和阻力。
叶素-动量理论，假设各个叶素单元作用互相独立，各个圆环之间没有径向干扰，轴向诱导因子a并不沿着径向方向改变。
6．相关参数的选定：
（1）调速方式：失速
（2）翼型 （例如：NACA系列、NASA LS系列、NREL S系列）
（3）叶片数目：3片
（4）风力机功率：65 kW
（5）来流风速：9m/s
(6）=8
（7）风能运用系数：0.45
（8）传动效率：0.92
（9）发电机效率：0.95
（10）叶片材料：玻璃纤维复合材料

7.风力机叶片外形设计计算：

1.拟定风轮直径D
由于P=,所以风轮直径D=，风轮半径R=0.5D=10.857080m。
2拟定风轮转速n
n ==63.35rpm
3计算雷诺数
在C,压强为标准大气压101.325kPa时，空气的动力粘度u=17.9×

在AirfoilTools网站上选择雷诺数1000000时的图像来拟定最佳升阻比是相应的升力系数和阻力系数。
4根据在叶根处选择相对较厚的翼型以承受叶片运营时的应力，并且能实现向叶根处的圆形断面光滑过渡；叶尖选择相对较薄的翼型以满足叶片的气动性能规定。将叶片提成16个剖面；从叶片展向 20%到95%，间隔5%来取。
在叶片展向20%、25%、30%和35% 处选择剖面，并选择翼型为NACA 4421
NACA4421-NACA 4421 airfoil

在叶片展向40%、45%、50%和55%处选择剖面，并选择翼型为NACA4418;
NACA 4418- NACA 4418 airfoil

在叶片展向60%、65%、70%和75%处选择剖面，并选择翼型为FX60-160
FX 60-160 AIRFOIL-Wortmann FX 60-160 airfoil

在叶片展向80%、85%、90%和95%处选择剖面，并选择翼型为NACA 63-412
NACA 63-412 AIRFOIL-NANCA 63(1)-412 airfoil

5.计算各剖面处的叶尖速比：

计算结果见表格1
6.在AirfoilTools网站，查看各个翼型在最大升阻比时相应的升力系数和阻力系数:

由左侧的图表查得NACA4421在最佳升阻比时，攻角 5.75(103.1)时，升力系数1.0543，阻力系数0.01023 ，最大升力系数 1.5771;由右侧的图表查得 在最佳升阻比时，攻角 5.75(115.8)，升力系数1.0909 ，阻力系数0.00929 ,最大升力系数1.6028

由左侧的图查得FX60-160在最佳升阻比时，攻角 4.5(116.7)时，升力系数0.9322,阻力系数 0.00799 ，最大升力系数 1.446;由右侧的图表查得 在最佳升阻比时，攻角 4.25，升力系数0.8168 ，阻力系数 0.00706,最大升力系数1.4179

7.计算四个剖面的弦长
各翼型断面弦长计算式为：式中为不同 半径相应的形状参数，为最大升力系数。
将带入，得
计算结果见表格1
8.计算各界面处的扭角β
由左图可知，在各界面处的的扭角：
其中为各界面处的入流角，为翼型的攻角。

i为各剖面沿弦长展向位置的比例。
根据相关关系式就可以通过迭代方法求得轴向诱导因子 a和周向诱导因子b，迭代环节如下：
（1）假设a和b的初值，一般可取0
（2)计算入流角；
(3)计算迎角
(4)根据翼型空气动力特性曲线得到叶素的升力系数
和阻力系数
（5）计算叶素的法向力系数和切向力系数

（6）计算a和b的新值

其中，F为普朗特叶尖损失修正因子，。
（7）比较新计算的a和b值与上一次的a和b值，假如误差小于设定的误差值（一般可取0.001），则迭代终止;否则，再回到环节（2）继续迭代。

计算示例：
（1）假设a和b的初值，a=0,b=0；
（2）计算入流角rad=35.828；
（3）计算迎角
（4）根据翼型空气动力特性曲线得到叶素的升力系数1.0543和阻力系数
（5）计算叶素的法向力系数和切向力系数

（6）计算a和b的新值

（7）比较新计算的a和b值与上一次的a和b值

所以取，，再回到环节（2）继续迭代。

反复以上环节，直到均小于0.1%,则可拟定入流角，与此时的诱导因子a和b。

由于需要迭代计算次数较多，采用计算程序进行计算（见附录），计算结果汇总于表格1。

9. 计算CC和C

C=4a（
C=
10. 校验 C

由于<8%,所以校验合格。
11. 计算P、T和Q

M=
12. 计算叶片根部直径
4.442
此处取96%

叶片根部选择高强度玻璃纤维,拉伸强度为3.53GPa，
所以，
取d==0.46259

以上计算结果汇总到下表（表格1）：
剖面位置
叶尖速比
弦长/m
入流角Φ/°
诱导因子a
诱导因子b
扭角β/°
攻角α/°
20%
1.6
0.92518
24.7088
0.218765
0.0613232
18.9588
5.75
25%
2.0
0.76068
20.9366
0.205678
0.0382110
15.1866
5.75
30%
2.4
0.64381
18.0311
0.1985
0.0260416
12.2811
5.75
35%
2.8
0.55715
15.7754
0.194138
0.0188654
10.0254
5.75
40%
3.2
0.48225
13.9170
0.198095
0.0145960
8.16705
5.75
45%
3.6
0.43055
12.4893
0.195814
0.0114323
6.73933
5.75
50%
4.0
0.38872
11.3177
0.194181
0.0091912
5.56776
5.75
55%
4.4
0.35421
10.3408
0.193013
0.0075470
4.59082
5.75
60%
4.8
0.35012
9.53092
0.174895
0.0062535
4.28092
5.25
65%
5.2
0.32925
8.82023
0.174752
0.0053038
3.57009
5.25
70%
5.6
0.30607
8.20235
0.175192
0.0045622
2.95075
5.25
75%
6.0
0.28593
7.65055
0.1767
0.0039842
2.40055
5.25
80%
6.4
0.27692
7.36189
0.159524
0.0031887
2.36189
5.0
85%
6.8
0.26079
6.86834
0.167116
0.0029132
1.86834
5.0
90%
7.2
0.24643
6.33822
0.185355
0.0027948
1.33822
5.0
95%
7.6
0.23356
5.54868
0.242196
0.0029951
0.54868
5.0

(表格2）
剖面位置
诱导因子a

P/W

20%
0.218765
0.5340737
0.683627
0.06675

75046.9

10299.

11319.1

25%
0.205678
0.5190883
0.653498
0.06488
30%
0.1985
0.5100677
0.636391
0.06375
35%
0.194138
0.5043031
0.625793
0.06303
40%
0.198095
0.5095415
0.635413
0.06369
45%
0.195814
0.5065435
0.629883
0.06331
50%
0.194181
0.5043612
0.625898
0.06304
55%
0.193013
0.5027814
0.623035
0.06284
60%
0.174895
0.4762727
0.577226
0.05953
65%
0.174752
0.4760487
0.576854
0.05950
70%
0.175192
0.4767383
0.577999
0.05959
75%
0.1767
0.4790859
0.581908
0.05988
80%
0.159524
0.4507505
0.536304
0.05634
85%
0.167116
0.4637101
0.556752
0.05796
90%
0.185355
0.4920407
0.603994
0.06150
95%
0.242196
0.5563354
0.734136
0.06954
Cptotal
0.4540921
0.560890
0.05676

计算程序（VB）
1.计算入流角、诱导因子a和诱导因子b
Option Explicit
Const pi = 3.1415926
Private Sub Command1_Click()
Dim a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k, l, m, n, o, p, q, x, y, s, t As Double
a = Text1.Text
b = Text2.Text
c = Text3.Text
d = Text4.Text
e = Text5.Text
f = Text6.Text
g = Text7.Text
h = 16 * pi * b / (9 * d * 3 * a * Sqr(a ^ 2 * g ^ 2 + 4 / 9))
Text8.Text = h
m = 0
n = 0
s = 1
t = 1
Do Until (s <= 0.001 And t <= 0.001)
l = Atn((1 - m) / ((1 + n) * g * a))
p = e * Cos(l) + f * Sin(l)
q = e * Sin(l) - f * Cos(l)
i = 3 * h / (2 * pi * b * g)
j = Exp(3 * (b * g - b) / (2 * b * g * Sin(l)))
k = 2 * (Atn(-j / Sqr(1 - j ^ 2)) + 2 * Atn(1)) / pi
x = i * p / (i * p + 4 * k * Sin(l) * Sin(l))
y = i * q / (4 * k * Sin(l) * Cos(l) - i * q)
s = (x - m) / x
t = (y - n) / y
m = x
n = y
Text9.Text = l * 180 / pi
Text10.Text = x
Text11.Text = y
Loop
Text12.Text = l * 180 / pi - c
Text13.Text = 4 * x * (1 - x) ^ 2
Text14.Text = 4 * x * (1 - x)
o = Text13.Text
Text15.Text = o / a
End Sub
Private Sub Command2_Click()
End
End Sub

2.
Option Explicit
Const pi = 3.1415926
Private Sub Command1_Click()
Dim l(4), d(4), m(4) As Double
Dim sum(4) As Double
Dim max As Double
Dim s As Integer
Dim u As Integer
Dim a, e, c, f, g, h, i, n, x, y, q, t, o, z, w, k, v As Double
Dim b As Double
s = 1
Text1.Text = v
max = 0
sum(1) = 0
l(1) = 1.0543: l(2) = 1.0909: l(3) = 0.9322: l(4) = 0.8168
d(1) = 0.01023: d(2) = 0.00929: d(3) = 0.00799: d(4) = 0.00706
m(1) = 1.5755: m(2) = 1.6028: m(3) = 1.4637: m(4) = 1.4179
For u = 1 To 4
For s = 1 To 4
i = 0.15 + 0.05 * s
c = 16 * pi * (8.833817) / 9 / m(u) / 3 / v / Sqr(v * v * i * i + 4 / 9)
a = 0
b = 0
x = 1
y = 1
Do Until (x <= 0.001 And y <= 0.001)
o = Atn((1 - a) / (1 + b) / (i * 8))
n = l(u) * Cos(o) + d(u) * Sin(o)
t = l(u) * Sin(o) - d(u) * Cos(o)
q = 3 * c / (2 * pi * i * 8.833817)
f = 2 / pi * (Atn(-(Exp(-1.5 * (1 - i) / i / Sin(o))) / Sqr(-(Exp(-1.5 * (1 - i) / i / Sin(o))) * (Exp(-1.5 * (1 - i) / i / Sin(o))) + 1)) + 2 * Atn(1))
g = q * n / (q * n + 4 * f * Sin(o) * Sin(o))
h = q * t / (4 * f * Sin(o) * Cos(o) - q * t)
x = (g - a) / g
y = (h - b) / h
a = g
b = h
Loop
k = 4 * a * (1 - a) ^ 2
w = 0.2 * k * i
max = max + w
Next s
sum(u) = sum(u) + max
Next u
Text2.Text = sum(u - 1)
End Sub

7.流程图见附录

8．工作计划：
1、集中讲授，下达设计任务，明确设计规定，提供设计资料
2、根据给定的数据检查设定的轴向诱导因子和周向诱导因子的误差范围，使之收敛
3、对于不同的叶素位置求解相关规定参数，并验证参数使之收敛
4、绘制Cp和λ的相应关系曲线，编写课程设计说明书，熟悉设计内容
5、独立绘制设计叶片图纸
5、答辩
9、成绩组成及考核标准：
课程设计成绩评估采用优秀、良好、中档、及格和不及格五级分制记分，成绩涉及平时答疑成绩、设计计算说明书成绩和答辩成绩三部分，其中平时答疑占20分，设计计算说明书成绩占40分，答辩成绩占40分。总分数为90～100分的课程设计成绩为“优”，总分数为80～89分的课程设计成绩为“良”，总分数为70～79分的课程设计成绩为“中”，总分数为60～69分的课程设计成绩为“及格”，总分数为0～59分的课程设计成绩为“不及格”。成绩优秀的比例一般不超过答辩人数的20%。
出现以下情况中的任一项，课程设计成绩直接为“不及格”：
（1） 不提交设计计算说明书；
（2） 无端不参与课程设计答辩；
（3） 设计内容与任务书的规定不符。

设计流程图一
a误差<8%
b’误差<8%
a误差>8%
b’误差>8%
P误差<8%
P误差>8%
通过以上值求出a和b’的计算值
将a计算值和b’计算值与a假设值和b’假设值进行比较，得到各自的误差a误差和a’误差
计算每个μ下的dM、dP，并将所有dP相加得到P
计算P与Pu的误差
由sinφ求出不同μ下φ的值，已知最佳攻角α
由β=φ-α求的不同μ下β的值，画出β与μ的曲线
由公式求出不同μ下弦长c的值，画出c与μ的曲线
环节1：
环节2：
环节3：
环节11：
环节10：
环节9：
环节8：
环节4：
环节5：
环节14：
环节12：“、：
将R分为10分，分别求取μ=0,1、0.2······0.9、1情况下的a和b’
选定翼型，拟定最佳迎角α下的Cl和Cd
设定叶尖速比λ，V∞，Pu， 计算V
计算叶片半径R
计算角速度ω

假设a的值，求出 b’的值

环节6：
环节13：

将假设值代入公式分别求得W、sinφ、cosφ，Cx、Cy、
环节7：
接环节8

流程图二：以流程图一为基础，绘制Cp和λ的关系曲线
环节1：
环节4：
环节2：
环节7：
a误差>8%
b’误差>8%
a误差<8%
b’误差<8%
将a计算值和b’计算值与a假设值和b’假设值进行比较，得到各自的误差a误差和b’误差
由流程图一拟定 、R、β设为固定值
分别取λ=4.0、5.0、…、10.0、11.0在每个λ下假设a的值
假设a的值，求出 b’的值
将假设值代入公式分别求得W、sinφ、cosφ，Cx、Cy
通过以上值求出a和b’的计算值
计算此时a值和相应λ值下相应的Cp
绘制Cp和λ的相应关系曲线
接环节7
接环节6
环节6：
环节8：
环节3：
环节5：