课程：空气动力学
2KW风力发电机组 低风速叶片设计与分析
姓 名：余辉
学 号：201580812008
指导教师：傅彩明
2016年01月05日
2KW风力发电机组低风速叶片设计与分析
一. 课题研究的背景和意义
1941年，美国把蒙特研制的第一台风力发电机开启了风力发电;此后，大型风力涡轮发电机促进了风力发电;如今,世界许多国家都安装了超大型风力发电机进行风力发电,促进风力发电长远发展。近年来全球的风力发电发展很快，装机容量的年平均增长率超过了30%。风能是一种技术比较成熟、很有开发利用前景的可再生能源之一。开发利用风能对世界各国科技工作者具有极强的魅力，从而唤起了世界众多学者致力于风能利用方面的研究。本文将对风力发电基本原理和具体2KW风机叶片设计进行论述。
目前，全球都面临着能源枯竭、环境恶化、气温升高等问题，日益增长的能源需求、能源安全问题受到世界各国广泛关注。风能具有可再生、资源广、安全、清洁、无燃料风险等优势，因此，世界各国都在加快风力发电技术的研究，以缓解越来越重的能源和环境压力。中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，提供电力的能源消费是以煤炭为主，燃煤发电量占总发电量的80%。但是，能为人类所用的石化资源是有限的，据第二届环太平洋煤炭会议资料介绍，若不趁早调整以石化能源为主体的能源结构，终将导致有限的石化能源趋于枯竭，人类生态环境质量下降的恶性循环，不利于经济、能源、环境的协调发展。
二. 风力发电机的设计理论
风力发电是通过捕风装置的风轮将风能装换成机械能，再将机械能转换成电能的过程，因此构成风轮的翼型的结构性能直接影响着分风能的转换效率。本章介绍风力机翼型的几何结构、空气动力学基础概念及基础理论，为下文的叶片分析设计奠基础。 2.1风力机的基本概念 （1）风力机的基本概念和参数
风轮叶片的几何形状不同，则空气动力特性也不同。为了设计风机，必须对风机的有关的概念和术语加以理解，例如，风轮、叶片、叶片旋转平面、风轮直径、叶尖速比等，而翼型外形由翼的前后缘、弦、中弧线、翼的上下表面、叶片安装角、攻角、来流角、最大厚度及最大相对厚度、弯度与弯度分布等参数决定。 （2）叶片空气动力学相关概念
风力发电机的叶片是细而长的结构，相对于流动方向的速度分量，其叶展方向的速度分量通常很小，因此，通常假定在给定径向位置处的流动是二维的，这样就可以使用二维翼型数据对叶片的气动性能进行分析。假定翼型处于静止状
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态，令空气以相同的速度吹向叶片时，作用在翼型上的空气动力将不改变其大小。空气动力只取决于相对速度和攻角的大小。
由于受翼型表面形状的影响，作用在翼型表面上的空气压力是不均匀的。翼型的上表面压力低于周围的气压，称为吸力面；下表面压力则高于周围气压，称为压力面。由伯努利理论，翼型的上表面气流速度较高，下表面的气流速度则比来流低。因此翼型的周围可以看做是两类气流的合成。第一类是当翼型置于均匀的气流中，在零升力条件下流过翼型的气流；另一类是围绕翼型的环流，从下表面流回到上表面。翼型的升力就是由后者产生的。
作用于翼型截面上的空气动力可以由升力、阻力和俯仰力矩来表示。对于迎角的各个值总有一特殊点，使得空气动力对这一点的力矩为零，称为压力中心（也称气动中心）。空气动力在翼型截面上的影响可以由单独作用于压力中心点的升力和阻力来表示。当气流流过翼型时，叶片下表面的压力大于周围空气的压力，而上表面的压力则要小与周围的空气压力。因此，在叶尖空气要从下表面流向上表面，结果在叶稍产生涡旋。
在叶片中部的对称面两边的旋涡具有不同的旋转方向，并且在离开叶片后面不远的地方翻卷长两个孤立的大旋涡。旋涡的不断形成以及叶片运动参数的变化，他们所需的能量供给必然减少气流对叶片所做的功，所以这些旋涡引起的后果就是使得阻力增加，由此产生的这部分阻力被称为诱导阻力。 2.2 风力机的基本气动理论
风力发电是一门包含流体力学、空气动力学、材料力学、机械加工等各方面知识的复杂学科，随着对风力发电研究的深入，特别是流体力学和空气动力学的发展及其在风力发电机设计上的应用，形成了许多关于风力发电机设计的理论，其中最重要的有贝兹理论、叶素理论和葛劳渥旋涡理论。
三.叶片设计过程
3.1 设计基础
较好的风力机必须具有良好的气动性能，以获得较高的风能利用系数和较大的经济效益。风力机的气动性能主要表现为叶片的气动性能。因为叶片的设计对风力机性能有重大影响。
叶片的核心设计包括：计算风轮直径D，确定叶片数B，选取叶素翼型，计算各叶素弦长C和安装角θ。叶片分析设计流程为：（1）确定风机特征风速及电机功率P；（2）计算风轮直径D；（3）确定风机尖速比；（4）确定风机叶片数B；（5）选取叶片翼型；（6）确定各叶素弦长C和安装角θ；（7）计算叶片性能参数；（8）计算叶片动力学特征。 3.2 风力机特征风速的确定
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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；
Vn（3-1）
?——机械效率； ?——空气密度，1.225kgm3；
——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：
D?
Pn30.12vn （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?total4
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