大型变截面翼型叶片与气动性能优化分析
新型无人机的气动性能分析与优化
新型无人机的气动性能分析与优化在当今科技迅速发展的时代，无人机技术已经成为了众多领域的重要应用手段。
从军事侦察到民用航拍，从物流配送再到环境监测，无人机的身影无处不在。
而在无人机的设计和研发过程中，气动性能的分析与优化是至关重要的环节，它直接关系到无人机的飞行效率、稳定性、操控性以及续航能力等关键性能指标。
一、新型无人机气动性能分析的重要性无人机的气动性能是指其在空气中运动时所受到的空气动力特性。
良好的气动性能能够使无人机在飞行中消耗更少的能量，从而延长续航时间，提高作业效率。
同时，稳定的气动性能有助于无人机在复杂的气象条件和环境中保持稳定的飞行姿态，减少失控的风险。
例如，在航拍领域，如果无人机的气动性能不佳，可能会在强风环境下出现剧烈的抖动，导致拍摄画面模糊不清；在物流配送中，低效的气动设计会使无人机消耗过多的电能，缩短飞行距离，影响配送任务的完成。
二、新型无人机的气动特性1、外形设计对气动性能的影响无人机的外形设计是影响其气动性能的重要因素之一。
常见的无人机外形包括多旋翼、固定翼和混合翼等。
多旋翼无人机由于其结构简单、操控灵活，在近地作业中广泛应用。
但其多个旋翼产生的气流相互干扰，会在一定程度上降低气动效率。
固定翼无人机则依靠机翼产生升力，具有较高的飞行速度和较远的航程，但起降需要一定的场地和条件。
混合翼无人机结合了多旋翼和固定翼的特点，在一定程度上弥补了两者的不足，但也带来了结构复杂和控制难度增加的问题。
2、翼型选择与气动性能翼型的选择直接关系到无人机机翼产生升力和阻力的大小。
常见的翼型有对称翼型和非对称翼型。
对称翼型在正飞和倒飞时性能相同，但升力系数相对较低；非对称翼型在正常飞行时能产生较大的升力，但倒飞性能较差。
对于不同用途的无人机，需要根据其飞行任务和要求选择合适的翼型。
例如，用于长航时侦察的无人机可能会选择高升阻比的翼型，以提高续航能力；而用于快速机动的无人机则可能更倾向于选择具有良好加速性能的翼型。
滑翔机设计中的气动特性分析与优化
滑翔机设计中的气动特性分析与优化在滑翔机的设计过程中，了解和分析气动特性是至关重要的。
通过对滑翔机的气动特性进行详细的研究和优化，可以提升其飞行性能和效率。
本文将对滑翔机设计中的气动特性进行分析，并探讨优化的方法。
一、滑翔机的气动力学基础在理解滑翔机的气动特性之前，有必要先了解滑翔机的气动力学基础。
滑翔机的飞行原理是借助来自气流的升力来支持其飞行，同时通过阻力来抵消它的重量。
这种飞行方式需要滑翔机在空气中保持稳定的姿态和飞行轨迹。
二、滑翔机的气动特性分析1. 升力和阻力分析在滑翔机的设计过程中，准确地预测和分析升力和阻力是非常重要的。
升力是滑翔机支持其飞行的关键力量，而阻力则会减缓滑翔机的速度。
因此，滑翔机的设计应该在最大化升力的同时，尽量减小阻力。
2. 滑翔比和滑翔范围滑翔比和滑翔范围是评估滑翔机性能的重要指标。
滑翔比是指滑翔机在垂直高度单位下所能飞行的水平距离。
滑翔比越高，滑翔机的性能越好。
而滑翔范围是指滑翔机在给定高度上所能飞行的最远距离。
3. 操纵性和稳定性除了升力和阻力之外，滑翔机的操纵性和稳定性也是非常重要的气动特性。
操纵性是指滑翔机在飞行过程中的灵活性和可控性。
稳定性则是指滑翔机在各种外界扰动下保持平衡和稳定的能力。
三、滑翔机气动特性的优化方法1. 翼型优化翼型是影响滑翔机气动特性的关键因素之一。
通过优化翼型的设计，可以提高滑翔机的气动性能。
常用的优化方法包括改变翼型的几何形状、改进气动外形线、增加翼型的升力和减小阻力。
2. 翼展和翼面积优化翼展和翼面积也是滑翔机气动特性的重要参数。
通过调整翼展和翼面积的大小，可以优化滑翔机的升力和阻力性能。
较大的翼展可以增加升力，而较小的翼面积可以减小阻力。
3. 翼展和机身的配比优化在滑翔机设计中，翼展和机身的配比也需要进行优化。
通过调整翼展和机身长度的比例，可以提高滑翔机的气动效率。
较大的翼展和较小的机身长度可以减小阻力，并提高滑翔机的操纵性和稳定性。
风力机叶片设计及翼型气动性能分析
风力机叶片设计及翼型气动性能分析风力机叶片是风力发电机的核心部件之一，其设计和翼型选择对风力机的发电效率、噪音和寿命等都有着非常重要的影响。
本文将介绍风力机叶片的设计及翼型气动性能分析。
一、叶片设计原理风力机叶片的设计目的是将大气中的风能转换成旋转能，并将其通过转轴传递给发电机，从而产生电能。
因此，叶片的设计主要围绕以下几点展开：1. 创造足够的扭矩：风力机的转子需要达到一定的转速才能发电，而叶片的弯曲和扭矩对于旋转速度的影响至关重要。
设计中需要选择合适的曲线形状和长度来实现理想的扭矩和转速。
2. 保证叶片的强度和稳定性：因叶片在高速旋转状态下会受到巨大的惯性力和风力力矩的作用，因此其材料和结构要足够坚固和稳定，以避免可能的断裂等事故。
3. 提高叶片的气动效率：叶片的气动效率是指其转化风能的能力，通常可以通过优化翼型、减小阻力、降低风阻等方法来提高。
二、叶片设计步骤1. 选定叶片长度：叶片长度通常是根据风力机的规格和性能要求来确定的，也可以根据标准长度来选择。
2. 选择翼型：翼型是叶片的重要组成部分，其形状和性能决定了叶片的阻力和气动效率。
目前，常用的翼型有NACA0012、NACA4415等，根据实际需求来选择。
3. 确定叶片曲线：叶片的曲线是决定扭矩和转速的关键因素，可以通过实验或模拟方法得到合适的曲线形状。
4. 优化叶片的结构：结构设计主要涉及到叶片的强度和稳定性，通常需要进行材料选择、计算等工作以保证叶片的安全性和寿命。
5. 模拟叶片气动特性：叶片的气动特性可以通过流场模拟、试验等方式来获取，可以根据实际需求来对叶片进行调整以达到理想的效果。
三、翼型气动性能分析翼型气动性能是指翼型在气流中运动时产生的力和力矩，其中，升力和阻力是翼型气动力的主要组成部分。
通过分析翼型气动性能，可以选择最优化的翼型来设计叶片。
1. 升力和阻力翼型的升力和阻力是由翼型形状、气流速度、攻角等因素共同决定的。
实际上，翼型的气动性能曲线通常都是非线性的，其升力和阻力特性会随着攻角的变化而不断变化。
风力发电机组叶片的气动性能分析
风力发电机组叶片的气动性能分析近年来，随着环境保护意识的增强和可再生能源的迅速发展，风力发电成为了重要的清洁能源之一。
而风力发电机组的叶片作为其中的关键组成部分，其气动性能的分析对于提高发电效率具有重要意义。
本文将重点探讨风力发电机组叶片的气动性能分析，并深入研究其原理和影响因素。
一、气动性能分析的原理风力发电机组叶片的气动性能分析是通过计算机辅助工程（CAE）软件来模拟和预测叶片在风场中的响应。
其中，主要采用的方法是数值模拟和风洞试验。
数值模拟方法基于流体力学和数学模型，通过模拟风场中的流体流动，计算叶片表面的压力分布、力矩和阻力等参数，以评估叶片的性能。
而风洞试验则是通过实验室环境中的风流模拟真实的风场，通过测量叶片表面压力分布和受力情况，来推导叶片的性能参数。
二、气动性能影响因素分析风力发电机组叶片的气动性能受多种因素的影响，以下将分别介绍其主要影响因素：1. 叶片形状：叶片的外形和轮廓对气动性能有着重要影响。
一般来说，采用更长、更窄的叶片可以提高效率，但是也会增加叶片的结构复杂度和重量。
同时，叶片的翼型横截面的选择也会对性能产生显著影响。
2. 叶片材料：叶片的材料选择直接关系到其强度和重量。
常见的叶片材料包括复合材料、纤维增强塑料等。
合适的材料选择可以在保证叶片强度的同时减轻重量，提高风能利用率。
3. 叶片倾角：叶片倾角对叶片的气动性能也有关键影响。
适当调整叶片倾角可以改变叶片的攻角，实现更好的气动特性，并提高发电效率。
4. 风场条件：风的速度、方向和湍流强度等也是影响叶片气动性能的重要因素。
不同的风场条件需要针对性地进行叶片设计，以获得最佳的气动性能。
三、气动性能分析技术应用风力发电机组叶片的气动性能分析技术广泛应用于叶片设计、优化和性能评估等方面。
1. 叶片设计和优化：基于气动性能分析的数值模拟方法，可以对叶片进行自动化设计和优化，以满足预定的要求和目标。
通过模拟和优化，可以寻找最佳的叶片形状、翼型和倾角等，实现更高效率的风能转化。
螺旋桨飞机的气动特性分析与优化设计
螺旋桨飞机的气动特性分析与优化设计一、引言航空工业一直以来都是高科技产业的代表之一，在现代航空工业的发展过程中，螺旋桨飞机一直都占据着重要的地位。
与常规喷气式飞机相比，螺旋桨飞机在短距离起降能力、飞行航线灵活性、短途航班航速等方面具有独特的优势。
本文将对螺旋桨飞机的气动特性进行分析，并提出相应的优化设计建议。
二、螺旋桨飞机气动特性概述1. 螺旋桨飞机的气动装置螺旋桨飞机通过转动的螺旋桨产生推力，从而实现飞行。
因此，螺旋桨的设计和性能对螺旋桨飞机的飞行性能具有重要影响。
螺旋桨主要由叶片、中心轴、变距机构、附属装置等组成，其中叶片是螺旋桨的核心部件，其翼型、叶尖速度、叶片尺寸等参数直接影响着螺旋桨的推力性能。
2. 螺旋桨飞机的气动特性螺旋桨飞机的气动特性主要表现为下列方面：（1）升阻比高：螺旋桨飞机具有升阻比高的特点，这使得螺旋桨飞机在短距离起降、高海拔场地等条件下的飞行表现非常优秀。
（2）飞行航线灵活：螺旋桨飞机具有较小的转弯半径和较短的起降距离，能够在复杂的地形条件下进行飞行，这种能力在特殊的机场起降时非常有用。
（3）噪声低：与常规的喷气式飞机相比，螺旋桨飞机的噪声非常低，这使得其在城市或者住宅区附近的机场安全可靠地运营。
三、螺旋桨飞机气动特性优化方案1. 叶片设计与制造的优化叶片是螺旋桨的核心部件，其设计和制造对螺旋桨的推力和噪声性能具有重要影响。
在叶片的设计中，应考虑以下几个方面：（1）叶片优化翼型：合适的翼型可以使叶片的升力系数更高，在同样的引擎功率下，可以产生更大的推力。
（2）优化叶尖速度：在螺旋桨的设计中，颇有争议的一个观点就是，叶尖越快，螺旋桨的性能就越好。
但在实际操作中，叶尖速度过快会增加螺旋桨噪声，并且会导致叶片的损坏。
因此，需要找到一个合适的叶尖速度。
（3）优化叶片尺寸：叶片的尺寸不仅对螺旋桨的推力和噪声性能具有影响，还会对螺旋桨的重量和制造成本产生影响。
因此，在叶片的设计中需要权衡各种因素，寻找一个最优的方案。
基于CFD模拟的风电机组叶片气动特性分析
基于CFD模拟的风电机组叶片气动特性分析随着气候变化和环境保护的迫切需求，风能逐渐成为一种重要的替代能源。
而风电机组则是将风能转化为电能的关键设备之一。
在风电机组中，叶片是接收风能并将其转化为动能的组成部分。
因此，了解叶片的气动特性对于提高风电机组的效率和可靠性至关重要。
本文将基于CFD模拟，对风电机组叶片的气动特性进行详细分析。
1. 叶片的结构和工作原理风电机组叶片一般由复合材料制成，具有轻量化、高强度和耐腐蚀性等特点。
叶片通过受力产生弯曲，从而使其产生扭转和振动。
这种振动会导致能量损失和叶片的疲劳破坏，因此了解叶片的气动特性对于设计高效、可靠的叶片至关重要。
风电机组叶片的工作原理是利用风的动能将叶片上的受力转化为旋转动能。
当风吹过叶片时，叶片上的气动力会导致其产生扭矩，将风能转化为机械能。
同时，叶片上的轮廓设计也会影响气动力的分布和叶片的动态响应。
2. CFD模拟在叶片气动特性分析中的应用CFD（Computational Fluid Dynamics）模拟是一种基于数值方法的流体力学分析技术。
它可以通过在计算区域中的离散网格上求解流体运动方程组，得到流体的流动状态和相关参数。
在风电机组叶片气动特性分析中，CFD模拟可以提供关键的流场信息，帮助优化叶片设计和改善叶片的性能。
在进行CFD模拟之前，需要建立包括叶片、风场和相关边界条件在内的几何模型。
叶片的轮廓和表面特征会对气动力的分布和叶片的响应产生重要影响。
因此，在建立几何模型时需要准确考虑叶片的实际结构和细节特征。
3. 叶片气动特性分析的关键参数叶片气动特性分析中的关键参数包括叶片表面压力分布、叶片气动力系数、叶片扭矩和振动等。
叶片表面压力分布可以用来评估叶片的气动性能和气动失效的风险。
叶片气动力系数是描述叶片的气动性能的指标，可以用来评估叶片的耐风性能。
叶片的扭矩和振动主要影响叶片的动态响应和结构寿命。
CFD模拟可以得到叶片表面的压力分布，进而计算出叶片的气动力系数。
几种叶片参数变化对叶轮机气动性能的影响
几种叶片参数变化对叶轮机气动性能的影响摘要：叶轮机叶片设计与制造过程中，常常遇到某一尺寸参数变化对叶轮机性能影响是否显著的问题。
本文以常见的叶片尺寸参数偏离设计状态问题为切入点，分析了不同叶片尺寸参数的敏感度，以期对叶轮机设计与制造有所帮助。
关键词：叶轮机、叶片、形状、性能叶轮机械的气动性能主要由叶片决定，叶片某一尺寸参数或形状的微小变化也可能会对叶片的气动性能产生显著影响，我们将这类参数称为敏感参数。
为了掌握叶片的敏感参数，需进行较多的研究。
下文是本人工作过程中经常遇到的叶片偏离设计状态的问题，以及这类问题的分析。
一、叶片前缘变为非圆弧型对气动性能的影响涡轮叶片的前缘一般设计成大圆弧，但这个圆弧前缘是否一定是唯一实用的前缘呢？陈雷[1]对比了Ｂｅｚｉｅｒ曲线前缘和圆弧前缘涡轮的气动性能。
在涡轮正常运行的攻角范围内，该非圆弧前缘有减小损失的作用，其机理是：非圆弧前缘的曲率半径逐渐增大，减小了前缘表面流动的法向压力梯度，抑制前缘的过度膨胀，削弱吸力峰，降低切点附近切向速度及速度梯度，减小由摩擦力引起的能量耗散，损失变小，且非圆弧形曲线的δ越大，流动损失相对越小；但在涡轮非设计工况的大攻角条件下，叶盆分离更加严重，流动性能恶化，损失增大。
压气机前缘也可以设计成非圆弧形，优化前缘形状的机理是，曲率半径逐步增大,可以减小前缘表面流动的法向压力梯度,抑制前缘表面的过度膨胀,从而降低吸力峰,减小吸力峰内的逆压梯度,避免叶片表面的层流分离,改善叶片气动性能。
因此，可以将压气机前缘设计成椭圆形前缘[2]。
但椭圆前缘加工难度较大，陈宏志[3]探索了带平台的圆弧形前缘，其形状如同1.2，即在圆弧前缘的叶背位置上铣出一个平面，并铣出倒角来过渡。
椭圆前缘一般由a/b决定其性能，而平台前缘的性能由平台前端在原始圆弧前缘上的位置和倾斜角决定。
但两者的优化效果都类似，不过平台前缘的平面两端形成两个弱吸力峰,取代了原始圆弧形前缘上的单个强吸力峰。
风力发电机组的叶片设计与优化
风力发电机组的叶片设计与优化1. 引言风力发电是一种清洁能源，具有环保和可再生的特点。
而风力发电机组的叶片设计则是该系统中至关重要的组成部分。
本文旨在探讨风力发电机组叶片的设计原则和优化方法，以提高发电效率和性能。
2. 叶片设计原则2.1 翼型选择翼型的选择对叶片的性能有着重要影响。
常用的翼型包括NACA飞机翼型和DU系列风能翼型等。
在选择翼型时，要考虑到其气动性能、抗风能力和韧性等因素。
2.2 叶片形状叶片形状的设计应兼顾力学特性和气动性能。
叶片长度、扭转角度、宽度和厚度等参数需要合理把握，以满足不同气流条件下的最佳发电效率。
2.3 材料选择叶片的材料应具备足够的强度、刚度和轻量化等特性。
常见的材料包括玻璃纤维增强复合材料、碳纤维等。
根据叶片的工作环境和成本考虑，选取最合适的材料。
3. 叶片设计与优化方法3.1 气动优化在叶片设计过程中，通过气动的优化使得叶片在不同风速下能够产生更大的扭矩。
气动优化可以利用计算流体力学（CFD）模拟进行，通过调整叶片形状和翼型等参数，探索最佳气动设计。
3.2 结构优化叶片在运行过程中承受着风力和离心力等巨大压力。
为了保证叶片的强度和刚度，可以利用有限元分析方法对叶片的结构进行优化，确保其能够承受更大的载荷。
3.3 声音优化风力发电机组在工作时会产生一定的噪音，为了降低环境噪音污染，叶片设计中需要考虑减小噪音的方法。
可以通过改变叶片的形状、增加吸音材料等方式来达到声音的降噪效果。
4. 叶片优化示例4.1 Aerodyn公司的叶片优化Aerodyn公司通过使用CFD模拟和结构优化方法，设计出了一款低噪音、高效率的风力发电机组叶片。
优化后的叶片在各个风速下都能够提供更高的发电能力，同时降低了噪音水平。
4.2 叶片材料优化研究人员针对叶片材料进行了优化研究，提出了一种新型复合材料。
该材料在保持足够强度的同时，具备更好的轻量化性能，能够最大程度地提高叶片的转速和发电效率。
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able cross section aerofoil blades are calculated and revised according to the targets of both hub and tip losses.
Matlab calculation toolbox is used to optimization calculate blade aerodynamic performance. Taking 1.5MW wind
（10）
7
科技广场 2011.7
θ=φ-α 图二 风能利用系数分布 图三 叶片弦长分布
（11）
从图二可以看出，考虑了轮毂和叶尖气动损伤 及升阻比的影响，叶片展向中部风能利用系数达到 0.5 附近，小于贝兹极限 0.593，说明各截面上计算所 得的风能利用系数是成功的。从图三中看出变截面 未修正弦长靠近轮毂处达到 6.0m，与实际叶片相差 很大，增加了叶片的总重量，给叶片的加工和安装带 来了很大困难。从图四中看出变截面未修正翼型叶 片根部扭角也较大，导致结构不稳定。因此需要对叶 片弦长和扭角进行适当修正。
[3]张湘东，聂国华.大型水平轴风力机叶片气动 性能优化[J].计算机辅助工程,2009,(01).
[4]Peiqing Liu,WanliZhao, JianyongZhu, Zhilong Huang.Blade Aerodynamic Design and Performance Evaluation of Certain 1.5MW Horizontal Shaft Wind Turbine Power and Energy Engineering Conference (APPEEC), 2011 Asia-Pacific.
部采用 DU 系列翼型组合，轮毂部分为圆截面。叶片
a- 轴向诱导因子；b- 切向诱导因子；
的相对厚度分布曲线如图一所示：
F-Prandtl 气动损失修正子。
由式（1）和（3）可得：
（5）
由式（2）和（4）可得：
（6）
忽略叶片翼型阻力，由式（5）和（6）可得：
a(1-aF)=b(1+b)λ2
（7）
风轮半径 r 处叶素上功率输出量为：
(b)
力系数，比较得出变截面翼型叶片的气动性能优于
与 气
单一翼型叶片的气动性能，说明变截面翼型叶片优
动 性
化设计的可行性。
能
优
化
分
参考文献
析
[1]贺德馨,等.风工程与工业空气动力学[M].北
（c） 图五 叶片气动性能计算结果曲线
京：国防工业出版社,2006. [2]Emesto Benini,Andrea Toffolo,Optimal design
由气动理论知，扭矩是由叶片的气动升力产生， 推力由叶片的气动阻力产生的。因此，在风力机设 计时，应尽可能获得大的扭矩，提高功率输出；同时 也要尽可能的减小推力，保证运行的可靠性。由图 五（b）所示，扭矩系数和风能利用系数是统一的，在
theory and evolutionary computation[J].ASME Journal of Solar Energy Engineering,2002,124 4):357-363.
分
dr 的推力和转矩[1-2]：
多采用相对厚度较小的翼型，最大升力和最小阻力 析
dT=4πρV（2 1-aF）aFrdr
（3） 都较小[3]。本文中叶片尖部采用 NACA63-2xx 系列
dM=4πρVω（1-aF）bFr3dr
（4） 翼型，中间部分采用的是 FFA-W3 系列的翼型，根
其中：ω - 风轮转动角速度（rad/s）；
图四 叶片扭角分布Fra bibliotek(a)
8
数。所以变截面翼型叶片的气动性能优于单一翼型
叶片的气动性能。
大
4 结束语
型
针对大型变截面翼型叶片，以最大风能利用系
变 截
数为优化目标，计算和修正了叶片弦长和扭角，证明 面 翼
了 Wilson 优化设计方法的合理性。采用变截面的翼 型
叶
型和单一翼型计算了叶片功率系数、扭矩系数和推 片
dP=ωdM=4πρV1ω（2 1-aF）br3dr
（8）
由式（8）得到沿叶片展向风能利用系数：
(9)
2 变截面翼型叶片外形设计 风力机叶片外形计算包括：叶片数 N、叶尖速比
λ、叶片直径 D、叶片翼型的选择、叶片各截面的弦
图一 叶片沿展向长度的相对厚度分布
2.2 叶片弦长和扭角的计算 为使风力机的输出功率系数最大，求在约束条 件（7）下目标函数（9）的最优化极值。利用 Matlab 有 约束非线性最值函数优化计算每个截面的诱导因子 a、b，叶尖损伤系数 F。不计空气阻力，由式（10）、 （11）计算得叶片弦长 C 和扭角 θ[4]。其变截面翼型 叶片风能利用系数、弦长和扭角优化计算结果如图 二 ~ 图四所示。
2.3 叶片弦长和扭角的修正 图三的叶片弦长分布曲线中，沿叶片展向 75% 附近是主要产生功率区域，叶片弦长应接近原始值。 越接近原始值，修正造成的能量损失越小；靠近轮毂 处是叶片质量集中区域，对风轮功率输出影响不大。 优化叶片弦长要适当减小，可减轻叶片总重量，降低 成本。图四的叶片扭角分布曲线中，根部扭角减小能 增加风轮功率输出，但同时增大了轴向推力，缩短叶 片的使用寿命。 3 叶片的气动性能计算分析 为研究变截面翼型叶片气动性能，验证桨叶气 动外形设计的优劣，选取变截面翼型叶片与单一翼 型叶片分别进行气动性能的计算比较，对设计的风 轮总体性能进行评估。其主要计算内容有：轴向推 力、转矩和功率以及相对应的推力系数、转矩系数和 风能利用系数[5]，对应的气动性能系数曲线如图五 所示。
lished by taking the maximum wind energy utilizing coefficient as the optimization objective, and the chord
length, twist angle and the relative thickness as the optimizing variable. the chord length and twist angle of vari-
单一叶片的气动性能，为风力机叶片外形设计提供参考。
关键词：风力机；叶片；变截面翼型；气动性能
中图分类号：TK83
文献标识码：A
文章编号：1671-4792-(2011)7-0006-04
Abstract: Based on blade element momentum (BEM) theory, the optimum design model of blade is estab-
of hofizonal-axis wind turbines using blade-element
从图五（a）中可以看出叶片风能利用系数随着 叶尖速比 λ 增大而逐渐增大。当 λ 约为 7 时，风 能利用系数达到最大值，后随着 λ 增大而减小，与 风能利用效率的理论分析相一致。且变截面翼型叶 片的风能利用系数高于单一翼型叶片，说明变截面 翼型叶片的气动效率提高了。
失，得风轮半径 r 处的叶素上的推力和转矩[1]：
角速度 17.3rad/s。
变 截
2.1 变截面翼型的选择 (1)
面 翼
变截面翼型的选择是指不同的翼型沿叶片展向 型
(2)
的分布。风力机叶片产生功率的主要区域在叶片展
叶 片
与
其中：sinφ=v∞(1-a)/V；cosφ=ωr(1+b)/；ρ- 空 向 75%附近，要求配置的翼型在某一攻角范围内升 气
假设各个叶素单元作用相互独立，各圆环之间
6
没有径向干扰。考虑轮毂和叶尖气动损失，采用叶 长 C 和扭角 θ。以 1.5MW 风力机为例，其中风力发
素 - 动量理论建立空气动力学模型。
电机额定风速 v=11.3m/s，启动风速为 3m/s，切出风
大 根据叶素理论，考虑法向力和切向力的叶尖损 速 25m/s，叶片数为 3，风轮直径约为 77m，风轮转动 型
摘 要：基于叶素 - 动量理论，以输出功率系数为优化目标、叶片的弦长、扭角和相对厚度为设计变量，
建立叶片优化设计的数学模型。综合考虑轮毂和叶尖气动损失，对各变截面翼型的弦长和扭角进行了计算
和修正。利用 Matlab 优化工具箱，对大型变截面翼型叶片进行优化的气动性能理论计算。以 1.5MW 风力机
叶片为例，比较了变截面翼型叶片和单一翼型叶片气动性能的计算结果，变截面翼型叶片的气动性能优于
turbine blade for instance, the aerodynamic performance calculation is compared between the variable cross sec-
tion and single cross section aerofoil blade. The results show that aerodynamic performance of variable cross sec-
0 引言 风力机是通过空气流过风轮叶片时产生气动
升力转动，将风能转化为机械能，叶片外形对于风 力机的性能至关重要，叶片的翼型直接影响叶片形 状，因此叶片的翼型选择直接影响风能的利用效 率。目前，受风轮起动、运行环境和气动特性等多重 因素影响，限制了叶片最佳状态下运行。而变截面 翼型不同截面处采用不同翼型，有不同的升阻比和 攻角，各个截面选取对应最佳升阻比的攻角，使整
9
气密度（kg/m3）；V- 来流风速（m/s）；CL- 升力系数； 力系数较高，而相应的阻力系数较小。从根部到叶尖
动 性
CD- 阻力系数；c- 叶素弦长。
布置的翼型都要有良好的气动特性，一般根部采用 能 优