余辉--2KW风力发电机组低风速叶片设计和分析 - 图文

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风速变化大，很难用一种数学模型准确地描述。对风速描述的方法：以实测典型风的各种风速的频率曲线为基础，模拟风速的频率曲线，用概率统计的方法建立估算风速的数学表达式。

世界常用的估算风速的函数有两种：（1）瑞利（Ray leigh）函数分布；（2）威布尔（Weibull）函数分布。 3.3 叶片基本设计方法

3.3.1 风轮直径计算的五个模型

（1）模型一 对给定的风力机，其风轮直径D为：

PnD? 3?CP??vn8

式中，Pn——风力机输出功率；Cp——风能利用系数；

（3-1）

?——机械效率； ?——空气密度，1.225kgm3；

Vn——额定风速；

（2）模型二 对模型一进行简化得： D?

算为：

Pn30.49CP??vn （3-2）

（3）模型三 根据以往实践，对于现代高速风力机风轮直径D可粗略的估

D?5Pn3vn （3-3）

（4）模型四 对于大型风力发电机，其风轮直径D可粗略的估算为：

Pn D?30.12vn

（3-4）

模型二、三、四是在一的基础上做的某些简化，相比，模型一计算精度较高。 （5）模型五 考虑温度、高度对空气密度的影响，水平轴风力发电机的风轮直径：

D?

式中，K——单位换算系数；

PnKC?Ct? （3-5）

3vn?total4Word 资料

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C?——空气高度密度换算系数，不同海拔高度空气密度的修正系数；

Ct——空气温度密度换算系数，不同温度时空气密度的修正系数；

?total——风力机总效率，风力机的总效率一般取?total?25％～50％；

低速风力机取小值，高速风力机取大值；一般设计时高速风力机取30％～50％。 3.3.2 叶片相关设计参数确定

（1）尖速比?0

风轮的尖速比?0是风轮的叶尖线速度和设计风速之比。尖速比与风轮效率密切相关，在风力机没有超速的条件下，运转于高尖速比状态下的风力机具有较高的风轮效率。尖速比-风能利用系数的影响情况如图3.1所示。从性能曲线可知，不管叶尖速比高或低，风能利用系数都不是最优，只有在某个中间状态，才可达到最佳。若风力发电机在整个运行区域内，都可保持在这个最佳叶尖速比状态，则风能利用效率就是最好的。通常，高速风力机尖速比在6～８之间时，风力机具有较高的风能利用系数。

图3.1 尖速比对风能利用系数的影响

（２） 叶片数B

风轮的叶片数取决于叶片的尖速比?0，风力发电的高速风力机一般取?0＞5 ，性能更为优越的三叶片风力机的应用较为广泛。贝茨理论和涡流理论基于无限叶片数，有限风力机叶片数B对风力机效率存在影响机理做了阐述，其方法应用于风力机时，在正常负载情况下，其风能利用系数与风洞试验结果接近。

（3）翼型

翼型的选取对风力机的效率十分重要，叶片通常由翼型系列组成。较好的翼型应该是在某一攻角范围内升力系数CL 较高，而阻力系数CD较小；它所适应的雷诺数与风力机实际运行情况的雷诺数相近；且具有较高的结构强度和良好的制造工艺性。由于叶片根部各翼型力臂较小，对风力机风轮输出扭矩贡献不大，所以叶根对风力机性能影响较小，主要考虑加工方便和强度问题。在尖部采用薄翼型以满足高升阻比的要求；根部采用相同翼型或较大升力系数翼型的较厚形式，以满足结构强度的需要。翼型数据选取步骤如下：

Word 资料

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(1)选取雷诺数R，选取与风力机实际运行时的雷诺数相近的值；

(2)选取最佳攻角及升阻系数，选取相近雷诺数附近的最大升阻比所对应的角度作为攻角，再由攻角确定升力系数CL和阻力系数CD等特征值。 3.3.3 叶展的葛劳渥（Glauert）设计模型

葛劳渥（Glauert）设计模型是考虑了风轮后涡流流动的叶素理论。其设计模型有两种，一种未引入干扰系数，另一种则引入了干扰系数。

（1）模型一

1r?中间参数计算： ?k1?arctan(?0)??3R3?

r?2k?cosk(?)_1210 ?R? ?2?1?k2k?1? ?3r?(?0)2R?

?1?k3r (?0)?k4??1?k2R?

（3-6）

弦长C：

C?

（2）模型二

8?(1?k2)1r21?k2k4k4?1BCL （3-7）

安装角θ： ??arccotk4?? （3-8） 风轮半径r处的叶素对风轮轴功率的贡献量为：

dP??dM?4??r3?3b(1?a)vdr （3-9）

风能利用系数CP：

CP?

极值条件为：

?0?10dP?238?03b(1?a)?d??02??Rv?20 （3-10）

求最大风能利用系数，即求式（3-13）的条件极值，通过运算可得到上式的

1?3a?b?? ?4a?1?b?2?(1?a)(4a?1) ?

（3-11）

这样对应一个λ值就可以利用式（3-11）求得相应的轴向干扰系数a及切向干扰系数b的值。

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通过以上各式可得 弦长C：

28?arsin? C?(1?a)BCLcos?

（3-12）

安装角?：

??arctan(

3.4 具体2KW型风机叶片设计 3.4.1 确定风轮直径D

本文选择风轮直径计算模型一，即式（3-1）计算风轮直径D：

D?Pn3CP??vn1?a)???(1?b) （3-13）

?8?8?20000.45?0.83?1.225?73???5.721m式中，风能利用系数CP?0.45； 发电机的机械效率??0.83；

空气密度??1.225Kg/m3； 设计风速vn?7m/s。

取风轮直径D?5.7m。 3.4.2 确定尖速比?0

由于通常，高速风力机尖速比在6～８时，风力机具有较高的风能利用系数，因此本文选取尖速比?0?6 3.4.3 确定叶片数B

三叶片风机的运行和输出功率较为平稳，目前风机多采用三叶片，因此本文也将采用三叶片B?3。 3.4.4 确定翼型

本文的翼型选取与翼型基本气动性能计算借助于Profili软件，Profili软件是专业进行翼型设计和分析的空气动力学分析设计软件。该软件翼型库量大，且可根据需要设计新翼型；其气动性分析以专业气动性分析软件XFOIL为基础，可针对不同需要从不同角度对现有翼型进行气动性分析，计算全面且精度高。该软件的应用不仅简化了叶片设计的翼型选取环节，而且提高了翼型外形数据和气动性能数据的精度，进而提高了叶片设计精度。

由于各种翼型具有不同的安装角、升阻比、尖速比和叶片扭曲，因此，各种翼型的捕获风能的能力，抗弯强度，降噪能力等等各不尽同，而复合叶片可以综合几种翼型的优点，获得一种综合性能好的叶片。所以本文采用风力发电机专用

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