小型低风速风力发电机叶片设计

小型低风速风力发电机叶片设计 导读：就爱阅读网友为您分享以下“小型低风速风力发电机叶片设计”资讯，希望对您有所帮助，感谢您对的支持!文章编号：（）小型低风速风力发电机叶片设计钱杰，张锦光，吴俊（武汉理二大学机电工程学院，湖北武汉）文献标摘要：利用软件对和两种常见的翼型进行气动性分析，研究了翼型二维流场中的压力分布情况，结果表明产生的升力要大于产生的升力；针对小型低速风力发电机启动的特点，用软件对翼型进行了改进，新翼型具有较高的升阻比，更能满低风速启动的要求；基于贝茨理论并利用对小型低风速风机发电机叶片进行了设计与实体建模关键词：翼型；气动性分析；低风速；发电机叶片中图分类号：随着传统能源的日益枯竭以及节能减排的需要，绿色能源尤其是风能越来越受到人们的重视。我国风电的发展很快，年新增装机容量万，累计装机容量达万，超过丹麦成为世界第风电大国，且当年装机仅次于美国和西班牙，超过德国和印度，成为世界上最主要的风电市场之一，年除台湾省外新增风电机组多台，装机容量约万怛。叶片是风机的关键部件，其成本约占整个风机的，我国现在的叶片生产商数量不少，但大多是通过合资的方式生产叶片，对叶片的核心技术如翼型、材料等方面的研究不足，因此加强对叶片的研究是很有必要的。现在对叶片的研究广泛应用了（）技术，即计算流体动力学技术，其原理是将空问域上连续的物理量的场用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值，可以看作是在流体基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程）控制下对流体的数值模拟，从而近似模拟流体流动的情况。尽管风机技术朝着大型化和离岸式的方向发展，小型风机的发展也同样重要，它可以为个人用户提供足够的电力，也具有足够的安全性。叶片设计包括气动设计、叶片构造设计和结构个部分，其中气动设计包括：决定风轮直径数、叶片各剖面弦长、厚度、扭角分布及型。笔者重点针对翼型的选取及改进相关研究，并对叶片进行了三维建模。利软件对和两见的翼型进行气动性分析，这两种翼型系列中具有较高的升阻比特性，而且对其较成熟，具有充分的代表性，因此，笔者研型在二维流场中的压力和速度的分布情况对比分析选取合适的翼型。翼型的气动性分析翼型的网格划分对和两种翼型气动性分析，的含义为第一位表示最大相对弯度为；第二位数表弯度位于翼弦前缘的处；末两位数相对厚度为，对流场采用远场边界表示第一位数为机翼的升力系；表示最大弯度相对位置的的倍，即最大弯度相对位置在弦长后两位数表示最大相对厚度为。在中建立两种翼型的几何模算域，对计算域进行的网格划分如图和收稿日期：作者简介：钱杰（一），男，湖北武汉人，武汉理工大学机电工程学院硕士研究生基金项目：武汉市学科带头人计划基金资助项目（）万方数据示。划分计算网格其本质就是把连续的空问变量用离散的网格点上的变量来近似，连续的控制方程在离散后就成为所有网格上变量的非线性方程组。为计算方便将整个计算域划分为左右两部分，翼型在左半部分里，分别对其进行网格划分，然后给计算域赋予压力远场边界条件，对翼型的上下表面分别设置为壁面边界条件。图翼型计算域的图翼型周围网格划分计算域的网格划分将生成的网格文件导入求解器，选择湍流模型，该模型比较适合有壁面流动的问题，对翼型绕流场能给出较好的计算结果。高雷诺数下层流的不稳定性提供了产生湍流的条件，最终，不稳定性使层流转为物理上可观察到的称之为湍流的状态，湍流一般为剪切流，湍流速度脉动一般的能量来源取自平均流剪力。在定义流体物理属性时，采用三系数定律求粘性。，设置边界条件时定义来流攻角为。，选取的马赫数为，粘性比为。求解时采用算法。翼型的气动性分析经过计算得到的翼型和翼型周围的压力分布云图，分别如图和图所示。图中由浅到深压强逐渐增大，其中浅色区域代表的压强为负值。由于翼型上方和下方的气流速度不同，因此，翼型上方、下方所受的压力也不同，总的合力即为翼型在流动空气中受到的空气动力，此力可分解为升力和阻力。，压强差越大产生的升力就越大。的负压区域主要集中在翼型上表面中部，而的负压区域比较靠近翼型的前缘，翼型下表面的浅灰色区域明显大于，因此产生的压力也比较大。为了得到风速对翼型的绕流情况，通过计算可得到风速的速度矢量图。图为翼型周围的速度矢量图，由图可见翼型上表面由于采用的是流线型设计，其表面风速比其他任何地方都大，且随着逐渐远离翼型表面，其表面风速逐渐减小；翼型前缘部分有少量浅灰色区域，说明其囝图翼型周围的压力分布图周围的压力表面风速也较低；翼型的后缘部分的浅灰最大，说明其表面风速明显是最低的。翼型表面的速度矢量图，可以地看到在翼型上表面的中后端部分其表面很明显的递减。速度矢量图与前面的压力相吻合，速度越大的地方其压力越小，速度小的地方其压力相对较大。图翼型周围的速度矢量一图上表面的速度为了直观地比较两种翼型的上下表面差，可得到两种翼型上下表面的静压力分布图和图分别为和种翼型上下表面的静压力分布曲线。黑色翼型下表面的静压曲线，灰色曲线为翼型的静压曲线。的下表面静压左右，的大多在一。上，因此的下表面静压要大，而的上表面静压的为一。与的相当；的上表面静压最小值在离整个处就急速增大而则是在约处时才开始增大，因此，翼型上平均静压要小于翼型上表面静压。由图可看出，在整个翼型处力突变，对比图，也是在多的地方产度的急速变化，两者也很好地吻合。综上翼型的上下表面压力差要大翼型的上下表面压力压差，即产生的升力要大于。采用分析两种翼型的升阻比如示，得到两种翼型在雷诺数为阻比的对比情况，雷诺数是在风速为万方数据图上下表面静压力分布图图上表面静压力分布訇为，弦长为时计算得到的。和所标曲线为其升阻比，从图中可以看出在攻角为一。时具有较高的升阻比，两种翼型在最大升阻比时的相关参数对比如表所示，因此，翼型更能满足低风速启动的要求。图与的升阻比表和在最大升阻比时的相关参数对比符合低风速启动翼型的改进分析为了尽最大可能获取风能，小型风力发电机在一个可能的最低的风速下启动是很重要的哺。要得到更适合低风速启动的翼型，有必要进行一定的修改使得到的新翼型高的升阻比，图为翼型，图进得到的新翼型，这种翼型的采用的是翼型而下表面采用的翼型的下表面。新翼型的最大相为位于翼弦前缘处，其最大相为位于翼弦前缘处，翼型后对厚度为。图翼型图改进得到的新翼型采用分析两种翼型的升阻比所示，图的左半部分显示了两种翼型的曲线，在风速为，海拔为，弦长为计算得到的雷诺数为，攻角在。之问，由图可见新翼型的升阻比。两种翼型的最大升阻比如表因而新翼型更能满足低风启动的要求。通过计算得到的新翼型的升力系数和阻力分布情况。图为新翼型在攻角为。时分布界面图，图为新翼型在攻角为。表面的压力系数。由此可见，新翼型具有更高的升阻比，其失速攻角为具有良好的失速性。图新翼型与的升阻比曲线表和新翼型在最大升阻比时相关参数对比翼型攻角（。）升力系数阻力系数万方数据黎垛采索图新翼型的升力系数和阻力系数一图新翼型在攻角为。时的压力分布界面图籁垛妖幽图新翼型在攻角为。时上下表面的压力系数表叶片具体尺寸的相关计算结果图叶片的三维实体模型界面羽究翼型在二维流场中的压力和速度的分布到翼型上下表面的压力差曲线，对比分析发翼型具有更好的升阻比。通过改翼型得到新的翼型，对比分析新的气动性，发现新翼型比有更好的升阻比，更能满足低风速启动的要翼型的对比分析和设计提供了一种有效的基于贝茨理论并利用对小型风机的叶片进行了理论设计与三维实体建模。小型风机叶片模型的建立参考文献：基于贝茨理论计算小型风机叶片的相关参数，设计额定功率为，计算得到风轮叶片的具体尺寸如表所示。将选定的由翼型改进得到的新翼型导入，根据叶片的相关尺寸，对风机叶片进行实体建模，得到叶片的三维实体模型界面图如图所示。结论建立一种适合低风速启动的小型风力发电机叶片，通过利用软件对和两种常见的翼型进行气动性分析，研李俊峰，高虎，王仲颖，等中国风电北京：中国环境科学出版社，施鹏飞年中国风电装机容量统计，（）：冀润景，风力机叶片设计方法的发展中教育，（）：（下转第万方数据郭团，刘波，张伟刚，等光纤光栅啁啾化传感研究光学学报，（）：，：（）：，：（），：（）；：；，（上接第页）吴建民，陈则霖，吴文正高等空气动力学北京：北京航空航天大学出版社，：于勇，张俊明，姜连田入门与进阶教程北京：北京理工大学出版社，：倪受元风力发电机讲座北京：中国理论杂志电子出版社，：编辑：，（）：苏绍禹风力发电机设计与运行维护国电力出版社，：形：，：；：；，编辑：王万方数据小型低风速风力发电机叶片设计作者：钱杰， 张锦光， 吴俊， QIAN Jie， ZHANG Jinguang， WU Jun作者单位：武汉理工大学,机电工程学院,湖北,武汉,430070刊名：武汉理工大学学报（信息与管理工程版）英文刊名：JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY(INFORMATION & MANAGEMENT ENGINEERING)年，卷(期)：2010,32(5)被引用次数：2次 参考文献(9条)1. 李俊峰;高虎;王仲颖 2008中国风电发展报告 20082. 施鹏飞 2008年中国风电装机容量统计 20093. KAZUMASA A;BAKU M N;JITENDRO N R Design of a 3 kW wind turbine generator with thin airfoil blades 2008(32)4. 冀润景 风力机叶片设计方法的发展 2006(01)5. 吴建民;陈则霖;吴文正 高等空气动力学 19926. 于勇;张俊明;姜连田 Fluent入门与进阶教程 20087. 倪受元 风力发电机讲座 20078. WRIGHT A K;WOOD D H The starting and low wind speed behaviour of a small horizontal axis wind turbine 2004(92)9. 苏绍禹 风力发电机设计与运行维护 2002 本文读者也读过(3条)1. 姚志岗 大型风力发电机叶片的设计研究学位论文20082. 张果宇. 冯卫民. 刘长陆. 俞剑锋. ZHANG Guo-yu. FENG Wei-min. LIU Chang-lu. YU Jian-feng 风力发电机叶片设计与气动性能仿真研究期刊论文-能源研究与利用2009(1)3. 贾娇. 田德. 王海宽. 李文慧. 谢园奇 风力发电机叶片气动外形设计方法概述期刊论文-农业工程技术新能源产业2009(11)引证文献(4条)1. 宋冬辉. 方世杰. 蔡国忠 小型水平轴风力发电机的仿真优化模拟期刊论文-制造业自动化 2012(23)2. 武浩浩 小型垂直轴风力机叶片气动特性模拟与分析期刊论文-荆楚理工学院学报 2011(5)3. 侯西. 张锦光. 胡业发 小型风力机叶片的流场仿真和应变实验研究期刊论文-武汉理工大学学报（信息与管理工程版） 2013(1)4. 孙广宇. 周俊杰. 房全国 基于matlab软件风力机叶片的数字化设计期刊论文-中国新技术新产品 2011(19) 本文链接：百度搜索“就爱阅读”,专业资料,生活学习,尽在就爱阅读网,您的在线图书馆 20