寧強12級風(fēng)能空氣動力學(xué)課程設(shè)計指導(dǎo)書

1、機 械 與 動 力 工 程 學(xué) 院風(fēng)力機空氣動力學(xué)課程設(shè)計 設(shè)計題目： 風(fēng)力機葉片氣動設(shè)計 設(shè) 計 人： 寧強 班 級： 風(fēng)能1201 組 號： 3 指導(dǎo)教師： 姚桂煥 設(shè)計時間： 2周 成 績： 日期：2015.6.29-2015.7.12 0 / 25 引言 風(fēng)輪是風(fēng)力機最重要的部件，它是風(fēng)力機區(qū)別于其它動力機的主要標(biāo)志。其作用是捕捉和吸收風(fēng)能，并將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機械能，由風(fēng)輪軸將能量送給傳動裝置。風(fēng)輪一般由2-3個葉片、輪轂和風(fēng)輪軸組成。葉片是風(fēng)力機重要的能量轉(zhuǎn)換部件，其設(shè)計和制造直接影響風(fēng)力機發(fā)電機組的高效安全運行。風(fēng)力機的運行效率直接與葉片的空氣動力設(shè)計有關(guān)，包括葉片長度、翼型、沿縱向翼

2、型的分布和安裝角。葉片的寬度和長度由設(shè)計要求的氣動特性能、最大葉輪功率和假定的翼型性能及強度因素決定。風(fēng)力機葉片利用翼型產(chǎn)生機械能。風(fēng)力機葉片的橫截面外形是翼型。翼型空氣特性的好壞直接影響風(fēng)力機的性能，翼型的形狀也影響葉片的主題結(jié)構(gòu)形式。在風(fēng)力機葉片的翼型參數(shù)的設(shè)計過程中，各個參數(shù)的變化都會對其他參數(shù)的設(shè)計產(chǎn)生影響。在設(shè)計中本著能夠使單位葉素有最大的功率利用系數(shù)的原則，來選擇翼型參數(shù)。    在20世紀(jì)七八十年代的風(fēng)力機設(shè)計過程中，很多風(fēng)力機直接采用了NACA系列中的航空翼型。但風(fēng)力機的工作條件和飛機有較大的區(qū)別，一方面風(fēng)力機葉片工作時，其攻角變化范圍大

3、；另一方面風(fēng)力機葉片設(shè)計要考慮低雷諾數(shù)的影響，風(fēng)力機和飛機工作的雷諾數(shù)范圍有所不同，其影響將就不完全一樣，過去在小型風(fēng)力機設(shè)計中考慮雷諾數(shù)較少而是直接選用，以翼弦為特征長度的雷諾數(shù)在風(fēng)輪徑向方向是變化的，在大型葉片設(shè)計中必須給以考慮。    設(shè)計實踐表明，使用航空翼型雖然可以得到很高的升阻比，但是在低雷諾數(shù)的環(huán)境下，航空翼型容易發(fā)生泡式分離，從而使升阻比特性惡化。另外，航空翼型對于表面粗糙度比較敏感，在翼型幾何形狀由于灰塵、結(jié)冰等原因發(fā)生變化時，翼型的氣動特性往往也會迅速惡化，從而不適于直接作為風(fēng)力機葉片翼型使用。   &#

4、160;因此，選擇翼型常根據(jù)以下原則：對于低速風(fēng)輪，由于葉片數(shù)較多，不需要特殊翼型升阻比；對與高速風(fēng)輪，葉片數(shù)較少，應(yīng)選擇在很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)具有較高的升阻比和平穩(wěn)的失速特性的翼型，對于粗糙度不敏感，以便獲得較高的功率系數(shù)；另外要求翼型的氣動噪聲低。    風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的增大而變快，而轉(zhuǎn)速超過設(shè)計允許值后，將可能導(dǎo)致機組的毀壞或壽命的減少，而有了調(diào)速（限速）機構(gòu)，即使風(fēng)速很大，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速仍能維持在一個較穩(wěn)定的范圍之內(nèi)，防止超速乃至飛車的發(fā)生。風(fēng)力機的調(diào)速（限速）機構(gòu)大體上有3種基本方式。1、定槳距失速調(diào)節(jié)型    

5、;定槳距是指槳葉與輪轂的連接是固定的，槳距角固定不變，即當(dāng)風(fēng)速變化時，槳葉的迎風(fēng)角度不能隨之變化。失速型是指槳葉翼型本身所具有的失速特性，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速，氣流的攻角增大到失速條件，使槳葉的表面產(chǎn)生渦流，效率降低，來限制發(fā)電機的功率輸出。為了提高風(fēng)電機組在低風(fēng)速時的效率，通常采用雙速發(fā)電機（即大/小發(fā)電機）。在低風(fēng)速段運行的，采用小電機使槳葉具有較高的氣動功率，提高發(fā)電機的運行效率。    失速調(diào)節(jié)型的優(yōu)點是失速調(diào)節(jié)簡單可靠，當(dāng)風(fēng)速變化引起的輸出功率的變化只通槳葉的被動失速調(diào)節(jié)而控制系統(tǒng)不作任何控制，使控制系統(tǒng)大為簡化。2.變槳距調(diào)節(jié)型 &#

6、160;  變槳距是指安裝在輪轂上的葉片通過控制改變其槳距角的大小。當(dāng)發(fā)電機輸出功率達(dá)到額定功率以后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)輸出功率的變化調(diào)整槳距角的大小，使發(fā)電機的輸出功率保持在額定功率。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速范圍時，通過增大葉片槳距角，使得其攻角減小，以改變?nèi)~片升力與阻力的比例，達(dá)到限制風(fēng)輪功率的目的。槳距角調(diào)節(jié)的優(yōu)點是槳葉受力較小，槳葉做的較為輕巧。槳距角可以隨風(fēng)速的大小而進行自動調(diào)節(jié)，因而能夠盡可能多的吸收風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，同時在高風(fēng)速段保持功率平穩(wěn)輸出。缺點是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，故障率相對較高。3.主動失速調(diào)節(jié)型    將定槳距失速調(diào)節(jié)型與變槳距

7、調(diào)節(jié)型兩種風(fēng)力發(fā)電機組相結(jié)合，充分吸取了被動失速和槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點，槳葉采用失速特性，調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用變槳距調(diào)節(jié)。在低風(fēng)速時，將槳葉節(jié)距調(diào)節(jié)到可獲取最大功率位置，槳距角調(diào)整優(yōu)化機組功率輸出；當(dāng)風(fēng)力機發(fā)出的功率超過額定功率后，槳葉節(jié)距主動向失速方向調(diào)節(jié)，將功率調(diào)整在額定值以下，限制機組最大功率輸出，隨著風(fēng)速的不斷變化，槳葉僅需要微調(diào)維持失速狀態(tài)。制動剎車時，調(diào)節(jié)槳葉相當(dāng)于氣動剎車，很大程度上減少了機械剎車對傳動系統(tǒng)的沖擊。主動失速調(diào)節(jié)型的優(yōu)點是具有了定槳距失速型的特點，并在此基礎(chǔ)上進行變槳距調(diào)節(jié)。機組在葉片設(shè)計上采用了變槳距結(jié)構(gòu)。通過變槳距系統(tǒng)調(diào)節(jié)限制風(fēng)力機獲取能量，保證發(fā)電機功率輸出的穩(wěn)定性，獲取良

8、好的動態(tài)性能；而變速調(diào)節(jié)主要用來響應(yīng)快速變化的風(fēng)速，減輕槳距調(diào)節(jié)的頻繁動作，提高傳動系統(tǒng)的柔性。1 / 251 / 251設(shè)計目的：風(fēng)力機空氣動力學(xué)課程設(shè)計是風(fēng)能與動力工程專業(yè)中重要的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。通過該教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生熟練掌握風(fēng)力機葉片工作原理，并能夠通過結(jié)合動量葉素理論相關(guān)知識與給定的環(huán)境條件設(shè)計出工作葉片，鞏固和提高其風(fēng)力機葉片設(shè)計及制造知識，樹立其理論知識指導(dǎo)設(shè)計的工作思想，加深其對現(xiàn)場生產(chǎn)實際的了解，培養(yǎng)其對工程技術(shù)問題嚴(yán)肅認(rèn)真、負(fù)責(zé)的態(tài)度，為其以后從事實際工作打下堅實的基礎(chǔ)。2設(shè)計內(nèi)容和要求：一、設(shè)計內(nèi)容： （1）基于葉素和動量理論設(shè)計水平軸風(fēng)力機葉片； （2）繪制風(fēng)力機葉片弦長

9、隨葉片展向長度的變化曲線； （3）繪制風(fēng)力機葉片扭角隨葉片展向長度的變化曲線； （4）繪制設(shè)計風(fēng)力機的性能曲線； （5）編寫設(shè)計說明書，并附上必要的計算公式2 / 25 （6）分組分別設(shè)計出不同翼型的風(fēng)力機葉片。2、 設(shè)計要求： （1）掌握風(fēng)力機葉片設(shè)計原理； （2）掌握風(fēng)力機葉片設(shè)計過程； （3）完成確定風(fēng)力機葉片的參數(shù)； （4）按時提交課程設(shè)計說明書、圖紙，按時參加答辯。3設(shè)計工作任務(wù)及工作量的要求一、對于給定的風(fēng)力機工作環(huán)境以及功率按照NACA給定的參數(shù)設(shè)計風(fēng)力機工作葉片 每組同學(xué)數(shù)據(jù)給定情況不同可以采用手算和計算機編程序兩種方式進行，在答辯時要提前說明計算方法以及在每種方法中遇到的問題

10、，經(jīng)教師校驗方法正確后方可進行答辯。二、編制課程設(shè)計計算說明書設(shè)計計算說明書中應(yīng)附上主要計算公式以及適用條件、工作原理、設(shè)計方法、系統(tǒng)構(gòu)成及流程、計算成立條件，字?jǐn)?shù)不少于10000字（至少要8000字），要求條理清晰，邏輯嚴(yán)密，字跡工整。4主要參考文獻：風(fēng)力機空氣動力學(xué). Martin O.L. Hansen（著），肖勁松（譯）. 中國電力出版社，2010風(fēng)工程與工業(yè)空氣動力學(xué). 賀德馨. 國防工業(yè)出版社，2006風(fēng)力機設(shè)計理論及方法. 趙丹平. 北京大學(xué)出版社, 20125所用基礎(chǔ)理論： 根據(jù)動量理論，描述作用在風(fēng)輪上的力與來流速度之間的關(guān)系。 根據(jù)葉素理論，將風(fēng)輪葉片沿展向分成許多微段，即

11、葉素，并假設(shè)在每個葉素上作用的氣流相互之間沒有干擾，作用在葉片上的力可分解為升力和阻力。 葉素-動量理論，假設(shè)各個葉素單元作用相互獨立，各個圓環(huán)之間沒有徑向干擾，軸向誘導(dǎo)因子a并不沿著徑向方向改變。3 / 256相關(guān)參數(shù)的選定：（1）調(diào)速方式：失速（2）翼型 （例如：NACA系列、NASA LS系列、NREL S系列）（3）葉片數(shù)目：3片（4）風(fēng)力機功率：65 kW（5）來流風(fēng)速：9m/s (6）=8（7）風(fēng)能利用系數(shù)：0.45（8）傳動效率：0.92（9）發(fā)電機效率：0.95（10）葉片材料：玻璃纖維復(fù)合材料 7.風(fēng)力機葉片外形設(shè)計計算： 1.確定風(fēng)輪直徑D 由于P=,所以風(fēng)輪直徑D=，風(fēng)輪

12、半徑R=0.5D=10.857080m。 2確定風(fēng)輪轉(zhuǎn)速n n =63.35rpm 3計算雷諾數(shù) 在C,壓強為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.325kPa時，空氣的動力粘度u=17.9× 在AirfoilTools網(wǎng)站上選擇雷諾數(shù)1000000時的圖像來確定最佳升阻比是對應(yīng)的升力系數(shù)和阻力系數(shù)。5 / 25 4根據(jù)在葉根處選擇相對較厚的翼型以承受葉片運行時的應(yīng)力，并且能實現(xiàn)向葉根處的圓形斷面光滑過渡；葉尖選擇相對較薄的翼型以滿足葉片的氣動性能要求。將葉片分成16個剖面；從葉片展向 20%到95%，間隔5%來取。 在葉片展向20%、25%、30%和35% 處選擇剖面，并選擇翼型為NACA 4421

13、NACA4421-NACA 4421 airfoil 在葉片展向40%、45%、50%和55%處選擇剖面，并選擇翼型為NACA4418;NACA 4418- NACA 4418 airfoil在葉片展向60%、65%、70%和75%處選擇剖面，并選擇翼型為FX60-160 FX 60-160 AIRFOIL-Wortmann FX 60-160 airfoil5 / 25在葉片展向80%、85%、90%和95%處選擇剖面，并選擇翼型為NACA 63-412NACA 63-412 AIRFOIL-NANCA 63(1)-412 airfoil5.計算各剖面處的葉尖速比： 計算結(jié)果見表格16.在A

14、irfoilTools網(wǎng)站，查看各個翼型在最大升阻比時對應(yīng)的升力系數(shù)和阻力系數(shù):6 / 25由左側(cè)的圖表查得NACA4421在最佳升阻比時，攻角 5.75(103.1)時，升力系數(shù)1.0543，阻力系數(shù)0.01023 ，最大升力系數(shù) 1.5771;由右側(cè)的圖表查得 在最佳升阻比時，攻角 5.75(115.8)，升力系數(shù)1.0909 ，阻力系數(shù)0.00929 ,最大升力系數(shù)1.60287 / 25由左側(cè)的圖查得FX60-160在最佳升阻比時，攻角 4.5(116.7)時，升力系數(shù)0.9322,阻力系數(shù) 0.00799 ，最大升力系數(shù) 1.446;由右側(cè)的圖表查得 在最佳升阻比時，攻角 4.25，

15、升力系數(shù)0.8168 ，阻力系數(shù) 0.00706,最大升力系數(shù)1.41797.計算四個剖面的弦長 各翼型斷面弦長計算式為：式中為不同 半徑對應(yīng)的形狀參數(shù)，為最大升力系數(shù)。將帶入，得計算結(jié)果見表格18.計算各界面處的扭角 由左圖可知，在各界面處的的扭角： 其中為各界面處的入流角，為翼型的攻角。 i為各剖面沿弦長展向位置的百分比。 根據(jù)相關(guān)關(guān)系式就可以通過迭代方法求得軸向誘導(dǎo)因子 a和周向誘導(dǎo)因子b，迭代步驟如下： （1）假設(shè)a和b的初值，一般可取08 / 25 （2)計算入流角； (3)計算迎角 (4)根據(jù)翼型空氣動力特性曲線得到葉素的升力系數(shù) 和阻力系數(shù) （5）計算葉素的法向力系數(shù)和切向力系數(shù)

16、 （6）計算a和b的新值 其中，F(xiàn)為普朗特葉尖損失修正因子，。（7）比較新計算的a和b值與上一次的a和b值，如果誤差小于設(shè)定的誤差值（一般可取0.001），則迭代終止;否則，再回到步驟（2）繼續(xù)迭代。計算示例： （1）假設(shè)a和b的初值，a=0,b=0； （2）計算入流角rad=35.828； （3）計算迎角 （4）根據(jù)翼型空氣動力特性曲線得到葉素的升力系數(shù)1.0543和阻力系數(shù) （5）計算葉素的法向力系數(shù)和切向力系數(shù) （6）計算a和b的新值9 / 25 （7）比較新計算的a和b值與上一次的a和b值 所以取，再回到步驟（2）繼續(xù)迭代。 重復(fù)以上步驟，直到均小于0.1%,則可確定入流角，與此時的誘

17、導(dǎo)因子a和b。 由于需要迭代計算次數(shù)較多，采用計算程序進行計算（見附錄），計算結(jié)果匯總于表格1。9. 計算CC和C C=4a（ C=10. 校驗 C11 / 25 因為<8%,所以校驗合格。11. 計算P、T和Q M=12. 計算葉片根部直徑 4.442 此處取96% 葉片根部選擇高強度玻璃纖維,拉伸強度為3.53GPa， 所以， 取d=0.46259 11 / 25 以上計算結(jié)果匯總到下表（表格1）：剖面位置葉尖速比弦長/m入流角/°誘導(dǎo)因子a誘導(dǎo)因子b扭角/°攻角/°20%1.60.9251824.70880.2187650.061323218.9588

18、5.7525%2.00.7606820.93660.2056780.038211015.18665.7530%2.40.6438118.03110.19850.026041612.28115.7535%2.80.5571515.77540.1941380.018865410.02545.7540%3.20.4822513.91700.1980950.01459608.167055.7545%3.60.4305512.48930.1958140.01143236.739335.7550%4.00.3887211.31770.1941810.00919125.567765.7512 / 2555%

19、4.40.3542110.34080.1930130.00754704.590825.7560%4.80.350129.530920.1748950.00625354.280925.2565%5.20.329258.820090.1747520.00530383.570095.2570%5.60.306078.200750.1751920.00456222.950755.2575%6.00.285937.650550.17670.00398422.400555.2580%6.40.276927.361890.1595240.00318872.361895.085%6.80.260796.868

20、340.1671160.00291321.868345.090%7.20.246436.338220.1853550.00279481.338225.095%7.60.233565.548680.2421960.00299510.548685.0 (表格2）剖面位置誘導(dǎo)因子aP/W20%0.2187650.53407370.6836270.0667575046.910299.11319.125%0.2056780.51908830.6534980.0648830%0.19850.51006770.6363910.0637535%0.1941380.50430310.6257930.063034

21、0%0.1980950.50954150.6354130.0636945%0.1958140.50654350.6298830.0633150%0.1941810.50436120.6258980.0630455%0.1930130.50278140.6230350.0628460%0.1748950.47627270.5772260.0595365%0.1747520.47604870.5768540.0595070%0.1751920.47673830.5779990.0595975%0.17670.47908590.5819080.0598880%0.1595240.45075050.5

22、363040.0563485%0.1671160.46371010.5567520.0579690%0.1853550.49204070.6039940.0615095%0.2421960.55633540.7341360.06954 Cptotal0.45409210.5608900.0567613 / 2514 / 25 計算程序（VB） 1.計算入流角、誘導(dǎo)因子a和誘導(dǎo)因子bOption ExplicitConst pi = 3.1415926Private Sub Command1_Click() Dim a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k, l, m, n

23、, 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

24、) * g * a) p = e * Cos(l) + f * Sin(l)15 / 25 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)

25、 / 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 / aEnd SubPrivate Sub Command2_Click() EndEnd Sub2. Option Explicit Const pi =

26、3.141592616 / 25 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:

27、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

28、 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 /

29、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)17 / 25 End Sub 7.流程圖見附錄 8工作計劃：1、集中講授，下達(dá)設(shè)計任務(wù)，明確設(shè)計要求，提供設(shè)計資料2、根據(jù)給定的數(shù)據(jù)檢驗設(shè)定的軸向誘導(dǎo)因子和周向誘導(dǎo)因子的誤差范圍，使之收斂3、對于不同的葉素位置求解相關(guān)規(guī)定參數(shù)，并驗證參數(shù)使之收斂4、繪制Cp和的對應(yīng)關(guān)系曲線，編寫課程設(shè)計說明書，熟悉設(shè)計內(nèi)容5、獨立繪制設(shè)計葉片圖紙5、答辯 9、成績組成及考核標(biāo)準(zhǔn)：課程設(shè)計成績評定采用優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格五級分制記分，成績包括平時答疑成績、設(shè)計計算說明書成績和答辯成績?nèi)糠?，其中平時答疑占20分，設(shè)計計算說明書成績占40