翼型风力机叶片的设计与三维建模论文 - 图文

1、综述

1.1、风力机简介

风力机，将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。

许多世纪以来，它同水力机械一样，作为动力源替代人力、畜力，对生产力的发展发挥过重要作用。近代机电动力的广泛应用以及 20 世纪 50 年代中东油田的发现，使风力机的发展缓慢下来。70 年代初期，由于“石油危机”，出现了能源紧张的问题，人们认识到常规矿物能源供应的不稳定性和有限性，于是寻求清洁的可再生能源遂成为现代世界的一个重要课题。风能作为可再生的、无污染的自然能源又重新引起了人们重视。

1.2、风力机简史

风车最早出现在波斯，起初是立轴翼板式风车，后又发明了水平轴风车。风车传入欧洲后，15 世纪在欧洲已得到广泛应用。荷兰、比利时等国为排水建造了功率达 66 千瓦（90 马力）以上的风车。18 世纪末期以来，随着工业技术的发展，风车的结构和性能都有了很大提高，已能采用手控和机械式自控机构改变叶片桨距来调节风轮转速。

风力机用于发电的设想始于 1890 年丹麦的一项风力发电计划。到 1918 年，丹麦已拥有风力发电机 120 台，额定功率为 5～25 千瓦不等。第一次世界大战后，制造飞机螺旋桨的先进技术和近代气体动力学理论为风轮叶片的设计创造了条件，于是出现了现代高速风力机。1931 年，苏联采用螺旋桨式叶片建造了一台大型风力发电机，风速为 13.5 米/秒时,输出功率达 100 千瓦,风能利用系数提高到0.32。

在第二次世界大战前后，由于能源需求量大，欧洲一些国家和美国相继建造了一批大型风力发电机。1941 年，美国建造了一台双叶片、风轮直径达 53.3 米的风力发电机，当风速为 13.4 米/秒时输出功率达 1250 千瓦。

1

英国在 50 年代建造了三台功率为 100 千瓦的风力发电机。其中一台结构颇为独特，它由一个 26 米高的空心塔和一个直径 24.4 米的翼尖开孔的风轮组成。风轮转动时造成的压力差迫使空气从塔底部的通气孔进入塔内，穿过塔中的空气涡轮再从翼尖通气孔溢出。法国在 50 年代末到 60 年代中期相继建造了三台功率分别为 1000 千瓦和 800 千瓦的大型风力发电机。

现代的风力机具有增强的抗风暴能力，风轮叶片广泛采用轻质材料，运用近代航空气体动力学成就，使风能利用系数提高到 0.45 左右，用微处理机控制，使风力机保持在最佳运行状态，发展了风力机阵列系统，风轮结构形式多样化。

法国人在 20 年代发明的垂直轴风轮在淹没了半个多世纪之后，已成为最有希望的风力机型之一。这种结构有多种形式，它具有运转速度高、效率高和传动机构简单等优点，但需用辅助装置起动。人们还提出了许多新的设想，如旋涡集能式风力机，据估计这种系统的单机功率将 100～1000 倍于常规风力机。

中国利用风车的历史至少不晚于 13 世纪中叶，曾建造了各种形式的简易风车碾米磨面、提水灌溉和制盐。直到 20 世纪 50 年代仍可见到“走 马灯”式风车。

1.3、风力机的特点

新一代风力机的特点是：①增强抗风暴能力；②风轮叶片广泛采用轻质材料,如玻璃纤维复合材料等；③运用近代航空气体动力学成就使风能利用系数提高到 0.45 左右；④用微处理机控制，使风力机保持在最佳运行状态；⑤发展风力机阵列系统；⑥风轮结构形式多样化。

1.4、风力机的基本原理

太阳对大气层的不均匀照射和地球表面吸热能力的不同，在大气层中引起冷热空气的强烈对流而形成风。风的动能与风速的 3 次方成正比。用 v 表示空气速度，用ρ表示质量密度，则单位时间内流过风轮扫掠面积 A 的空气质量(m)为ρAv，于是空气动能便是。

2

由于气体的可压缩性，气体质点穿过风轮扫掠面──能量转换界面时,风速由 v1 降为 v2，即 v1＞v2。因自然风速 v1 只能有一部分被利用，若以风能利用系数

Cρ表示利用程度，则可利用风能为，其中 Cρ＜1。根据气体动量

理论推导出风能利用系数的最大可能值为或 0.593，因此风轮输出功率与风轮的工作面积成正比。Cρ取决于风轮和叶片的结构和工艺。旧式风车Cρ≈0.10，现代风力机 Cρ＝0.3～0.4，最高可达 0.5。另外，现代风力机在能量传输过程中大约理论上应输出的功，则有效输出功为：

或

还要损失 1/3

，式中 D 为风轮直径。

1.5、风力机的构成和分类

风力机的主要部件是风能接收装置。一般说来，凡在气流中产生不对称力的物理构形都能成为风能接收装置，它以旋转、平移或摆动运动而发出机械功。各类风能接收装置的取舍取决于使用寿命和成本的综合效益。风力机大都按风能接收装置的结构形式和空间布置来分类，一般分为水平轴结构和垂直轴结构两类。以风轮作为风能接收装置的常规风力机，按风轮转轴相对于气流方向的布置分为水平轴风轮式（转轴平行于气流方向）、侧风水平轴风轮式（转轴平行于地面、垂直于气流方向）和垂直轴风轮式（转轴同时垂直于地面和气流方向）。广义风力机还包括那些利用风力产生平移运动的装置，如风帆船和中国古代的加帆手推车等。无论何种类型的风力机，都是由风能接收装置、控制机构、传动和支承部件等组成的。近代风力机还包括发电、蓄能等配套系统。

1.6、风力机存在的问题

3

世界上已有数万台风力机在运行，作为辅助能源正在发挥作用。但风力机仍存在若干不足之处：①能量输出不稳定，特别是大型风力机的利用率低，作为独立能源的条件还不具备；②安全可靠性尚无充分保障；③成本在短期内尚不足以与矿物燃料相竞争。但是，随着人类对能源需求量的日益增多和科学技术的发展，上述问题终会得到解决。

1.7、本课题的背景目的及主要工作

我国可开发利用的风能资源为 2．53 亿 kW，新疆、内蒙至东北和东南沿海两大主风带有有效风力时间百分率在 70％以上。可以说，我国开发风能具有良好的自然环境和资源条件。近几年来，随着我国电网覆盖程度的提高，在各级政府、电力部门和国外政府及金融组织的援助下，我国在新疆、内蒙、广东、福建、辽宁等地区建立了 20 座风力发电场，总装机容量达 302MW，对缓解当地电力供应矛盾，提高供电质量起到了很好的作用。风力发电场的建设，加速了我国能源结构改革的进程，风能己成为真正的补充能源和发挥规模效益的生力军。

我国风力发电起步较晚，但发展较快。自 80 年末引进大型风力发电机以来，经过十多年的不断引进、消化、吸收，积累了一定的经验。我国并网型风力发电技术在 80 年代中期开始进行试验、示范，经过二十多年的努力，为今后进行国产化风力发电机组的规模化生产打下了一定的基础，同时也为推动国家风电产业化进程做出了努力。

但遗憾的是，作为世界上的风能大国，我国尚不具备独立开发风力机尤其是大型风力机的能力，迄今为止国内已投入运行的风力机绝大部分是进口风力机。设计水平是主要制约因素，与此相关的基础研究、实验研究和新技术应用等方面与国外存在着较大的差距，有些领域国内甚至是空白。尤其是目前主流的大型风力机，我国基本上是依靠从国外引进生产技术来仿制。这不但受到成本、运输、售前售后等方面的制约，还要消耗大量的资金，而且将使我国对风力机组的研制水平日益落后于国际先进水平，从根本上来说不利于我国风电产业的发展。更何况从国外引进的风机由于在设计时针对国外的风况和有一些特殊的环保要求，并不能和国内的情况非常吻合，不能很好地达到预期的性能。因

4