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：小型三叶片风力机叶片设计设计人：王伦班级：风能1101组号： 4指导教师：姚桂焕设计时间：2周成绩：日期：2014.6.23-2014.7.4设计内容及要求第一章风力机发展程风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。

其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×10^9MW，其中可利用的风能为2×10^7MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。

风很早就被人们利用--主要是通过风车来抽水、磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电。

把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。

风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。

依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。

风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。

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。

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。

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还要损失1/3 理论上应输出的功。

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。

因此，必须以提高我国风力机的设计和研究水平为目标来实现“国产化"。

1.8本课程的主要工作：1.阅读理解“风能转换原理与技术中”叶片设计的相关原理及设计知识，主要是第五章和第六章相关知识。

2.编制叶素轴向、周向速度诱导因子、最佳弦长及扭角的计算的界面程序；3.根据程序计算并绘制风力机叶片弦长随叶片展向长度的变化曲线；4.根据程序计算并绘制风力机叶片扭角随叶片展向长度的变化曲线；第三章风力机叶片设计一．选定翼型，确定最佳攻角α下的Cl和Cd1.翼型（定义μ=r/R，其中R为叶片设计半径，r为叶片剖面到旋转中心距离）(1)叶片根部选用NACA4418标准翼型（μ<0.2）NACA4418翼型参数：Calculated polar for: NACA 44181 1 Reynolds number fixed Mach number fixedxtrf = 1.000 (top) 1.000 (bottom)Mach = 0.000 Re = 1.000 e 6 Ncrit = 9.000alpha CL CD CDp CM Top_Xtr Bot_Xtr5.000 1.0296 0.00899 0.00420 -0.0949 0.4086 1.00005.250 1.0484 0.00914 0.00432 -0.0931 0.4017 1.00005.500 1.0691 0.00929 0.00444 -0.0917 0.3956 1.00005.750 1.0909 0.00942 0.00456 -0.0905 0.3893 1.00006.000 1.1100 0.00962 0.00472 -0.0888 0.3820 1.00006.250 1.1316 0.00978 0.00487 -0.0876 0.3757 1.00006.500 1.1527 0.00998 0.00504 -0.0863 0.3674 1.00006.750 1.1735 0.01022 0.00524 -0.0851 0.3586 1.0000根据以上资料，NACA4418翼型的最佳攻角α=5.75°，此时对应升力系数Cl=1.0909, 阻力系数Cd=0.0094（2）叶片中部选用NACA4415翼型（μ=0.2—0.8）根据有关资料NACA4415的最佳攻角为5.5°，此时对应的升力系数Cl=1.0575, 阻力系数Cd=0.00886Calculated polar for: NACA 44151 1 Reynolds number fixed Mach number fixedxtrf = 1.000 (top) 1.000 (bottom)Mach = 0.000 Re = 1.000 e 6 Ncrit = 9.000alpha CL CD CDp CM Top_Xtr Bot_Xtr5.500 1.0576 0.00886 0.00400 -0.0927 0.3936 1.0000（3）叶片尖部选用NACA4412翼型（μ>0.8）Calculated polar for: NACA 44121 1 Reynolds number fixed Mach number fixedxtrf = 1.000 (top) 1.000 (bottom)Mach = 0.000 Re = 1.000 e 6 Ncrit = 9.000alpha CL CD CDp CM Top_Xtr Bot_Xtr4.500 0.9734 0.00758 0.00284 -0.1004 0.4273 1.00004.750 0.9993 0.00778 0.00297 -0.1001 0.4110 1.00005.000 1.0254 0.00797 0.00311 -0.0998 0.3979 1.00005.250 1.0518 0.00813 0.00326 -0.0995 0.3861 1.00005.500 1.0777 0.00834 0.00342 -0.0992 0.3731 1.00005.750 1.1031 0.00857 0.00359 -0.0988 0.3575 1.00006.000 1.1280 0.00884 0.00379 -0.0983 0.3398 1.0000根据以上资料，NACA4412的最佳攻角为5.25°，此时对应的升力系数Cl=1.0518,阻力系数Cd=0.0813二．设定叶尖速比λ，U∞,Pu,计算U1.设定叶尖速比：根据设定参数，可求得λ=ωR/V=6.0872.设定U∞=10m/s,P u=10kW3.计算U:根据风力机的额定功率计算公式：Pu=0.125ρ3Uπ2D Cpηiηk 计算得：D min=7.272m根据风轮动量理论，功率关系有以下结论:U=0.5(U1+U2)------------------------------P∞=Pu/(Cp*ηi*ηk)-----------------------在单位时间内，有P∞=0.5ρA(3U-32U)-------1U 1=U ∞--------------------------------------------------------④A=π2D /4---------------------------------⑤将已知设定参数：U ∞=10m/s,P u =10kW ，Cp=0.45，ηi =0.92， ηk =0.95, ρ=1.225kg/m^3代入以上各式得： U 2=3312AP U ρ∞-=5.580m/s U=7.790m/s 三．计算叶片半径： R=D/2=3.635 四．计算角速度： Ω=2πn/60=16.747rad/s五．将R 分为10份，分别取μ=0.1,0.2，···1情况下的a 和 a ’由于风力机采用变桨距调节，当风速为额定风速U 1=10m/s 时，控制系统会调节桨距角β，使得叶片处于最佳攻角α=5.75°，此时对应升力系数Cl=1.0631, 阻力系数Cd=0.00882入流角Φ=arctanrb U a Ω+)1(-11）（r=μR(μ=0.1,0.2,...1.0) α=Φ-β计算流程： 1.叶素弦长:2.假设a,b 的初值，一般可取03.计算来流角：Φ=arctanrb U a Ω+)1(-11）（4.计算各截面扭角：β=Φ-α5.根据空气动力特性曲线得到叶素得升力系数Cl 和阻力系数Cd;6.计算法向系数Cx 和切向系数Cy C x =C l cos Φ+C d sin Φ Cy=C l sin Φ+C d cos Φ7.计算新的a 和b 值：a=xx BcC r BcC +φπ2sin 8 b=y yBcC r BcC +φφπcos sin 88.比较新的a 和b 与上一次的a 和b ，如果误差小于0.001，则迭代 终止；否则回到3继续迭代。