2MW风电机组叶片气动性能计算方法的研究_刘勋
某兆瓦级水平轴风力机叶片气动设计和性能评估
某兆瓦级水平轴风力机叶片气动设计和性能评估黄知龙;刘沛清;赵万里【摘要】基于片条理论,建立了水平轴风力机的气动参数和性能计算模型,并考虑了叶尖损失、叶根损失、叶栅影响和重载荷下对片条理论参数的修正.以此为基础设计完成了某1.5 MW水平轴风力机叶片的气动外形,并对其气动性能进行了评估,结果表明该风力机叶片气动性能达到设计要求,具有较佳的风能利用系数和运转特性.【期刊名称】《电网与清洁能源》【年(卷),期】2010(026)001【总页数】5页(P68-72)【关键词】风力机;叶片;片条理论;气动设计;性能评估【作者】黄知龙;刘沛清;赵万里【作者单位】北京航空航天大学流体力学教育部重点实验室,北京,100191;中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所,四川,绵阳,621000;北京航空航天大学流体力学教育部重点实验室,北京,100191;北京航空航天大学流体力学教育部重点实验室,北京,100191【正文语种】中文【中图分类】TK83随着传统能源的短缺，世界各国先后提出了适合本国国情的新能源战略。
风能作为一种相对廉价的清洁新能源得到各国的重视[1-4]。
我国是一个风力资源丰富的国家，风力发电潜力巨大，自国家提出全国风电“十一五发展计划及2020年发展规划”后，全国的风电行业是一派欣欣向荣的景象，风力机的单台装机容量由初期的600kW发展到了现在的2.5MW，兆瓦量级的单台装机容量已成为大型风电场的主力。
作者应某风能公司委托，开展了某1.5MW风力机叶片的设计和性能评估，本文就采用的设计方法和相关设计结果进行简要的阐述。
风力机叶片设计主要采用的方法分为求解正问题和求解反问题2类，求解正问题是指首先根据某种规则设计出一个叶片，然后根据该叶片的气动性能、制造工艺和结构强度要求不断对叶片进行优化，最终使叶片的气动性能达到设计者满意的要求。
反问题设计是指根据设计者期望的叶片气动参数，通过一系列假设和经验，通过计算得到叶片的外形参数[5-7]。
微型风力发电机组气动性能优化设计
微型风力发电机组气动性能优化设计随着可再生能源的发展，风力发电作为其重要组成部分之一，受到越来越多的关注。
与传统的大型风力发电机不同，微型风力发电机组以其便携性、灵活性和适应性成为了新的研究热点。
然而，由于微型风力发电机组受到空间和重量的限制，其气动性能的优化设计成为了一个关键的课题。
气动性能是指微型风力发电机组在风的作用下，能够有效地转化风能为电能的能力。
提高微型风力发电机组的气动性能，可以增强其风能利用效率，提升发电效率。
本文将从减小风阻力、提高风能利用率和优化叶片设计三个方面进行深入探讨。
首先，减小风阻力是提高微型风力发电机组气动性能的重要手段之一。
风阻力是微型风力发电机组的一个主要损耗因素，减小风阻力可以有效降低发电机组的能耗。
在设计过程中，可以采用流线型外形设计、减小表面粗糙度、优化布置和降低压缩区域的设计等手段来减小风阻力。
此外，采用轻量化的材料和结构，可以减小微型风力发电机组的整体重量，从而减少风阻力和能耗。
其次，提高风能利用率也是优化微型风力发电机组气动性能的关键因素之一。
风能利用率是指微型风力发电机组实际产生的电能与理论最大可产生电能之比。
提高风能利用率需要充分利用风能资源，将风能有效地转化为电能。
为了实现高风能利用率，可以采用定位系统来确保微型风力发电机组始终面向风向。
此外，合理安排叶片的转动速度和角度，使其在不同风速下都能够高效转化风能。
同时，优化微型风力发电机组的发电控制系统，可以根据实际风速和电网负荷的变化来调整发电功率，最大限度地利用风能。
最后，优化叶片设计是提高微型风力发电机组气动性能的重要手段之一。
叶片是微型风力发电机组与风能直接进行能量转化的关键部件，其设计直接影响机组的气动性能。
在叶片设计中，可以采用更合理的叶片形状和曲线来实现更高的发电效率。
此外，优化叶片材料的选择和制造工艺，可以提高叶片的强度和耐用性，延长使用寿命。
同时，对叶片进行动态平衡测试，可以减小发电机组的振动和噪音，提升性能和舒适性。
2KW风力发电机组低风速叶片设计和分析报告
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。
基于CFD的大型风力发电机组叶片气动性能研究
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中图分类号 ：Ｋ ９ 文献标 志码 ： 文章 编号 ：０６７ ３ ２ １ ） ５０９ － Ｔ８ Ａ １０ － （０ ２ ０ －５ ５０ ４ ０ ６
Ｉ ｖ ｓｉ ａ ｉ ｎ ｏ ｈｅ ａ ｒ ｄ ｎａ ｉ ｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｆ ｎ ｅ ｔｇ ｔｏ ｎ ｔ ｅ ｏ ｙ ｍ ｃ ｐ ｒ ｏ ｍ ｎ ｅ ｏ ｌ ｒ ｅ ｗｉ ｄ ｔ ｒ ｉ ｅ ｂ ａ ｅ ｂ ｓ ｄ ｏ ａ ｇ ｎ ｕ ｂ ｎ ｌ ｄ ａ ｅ ｎ ＣＦＤ
盛振 国 ， 陈峰 任 慧龙 刘小龙。 李 ， ，
（ ． 尔滨 工程 大学 船舶 工程 学院 ， １哈 黑龙 江 哈 尔滨 １０ ０ ； ． ５ ０ １ ２ 中国船级社 产品设计评估 中心 ， 北京 １０ ０ ； ． ００ ６ ３ 中国船舶科
学研 究 中心 ， 江苏 无锡 ２ ４ ８ ） １０ ２
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兆瓦级风力机叶片优化设计及其气动性能计算的开题报告
兆瓦级风力机叶片优化设计及其气动性能计算的开题报告一、课题背景及研究意义：随着可再生能源的发展和应用，风力发电在能源领域得到了广泛应用。
而风力机作为风力发电系统中的重要组成部分，其性能的稳定和可靠性对于整个风力发电系统的运行保障有着至关重要的作用。
叶片作为风力机性能的关键部分，其设计的好坏对风力机的性能具有决定性影响。
兆瓦级风力机叶片的设计计算是一个复杂的过程，需要考虑到众多的因素，如风力机叶片的基本参数、空气动力学特性、结构强度、材料及工艺等。
如何在保证叶片强度、稳定性和可靠性的前提下，提高叶片的发电效率、降低风力机的成本，是叶片设计计算过程中需要解决的核心问题。
因此，兆瓦级风力机叶片优化设计及其气动性能计算的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
二、研究目标及研究内容：本课题的主要研究目标是开展兆瓦级风力机叶片的优化设计及其气动性能的计算研究。
通过理论计算和数值模拟的方法，对风力机叶片进行优化设计，提高其发电效率和降低成本。
同时，研究叶片的气动性能及其对风力机性能的影响，为风力机的整体性能提高提供理论依据。
本课题的主要研究内容包括：（1）充分理解兆瓦级风力机叶片的设计原理和基本参数，通过CAD软件进行叶片的三维建模。
（2）对兆瓦级风力机叶片进行气动性能分析，利用数值模拟方法计算叶片的风洞试验数据，得出叶片的升力、阻力、扭矩等气动性能参数。
（3）针对叶片的气动性能进行优化设计，尝试采用新型材料、几何形状、结构强度等优化手段，提高叶片的发电效率和降低成本。
（4）对优化后的叶片进行重新计算和模拟，分析叶片的气动性能及其对整个风力机系统性能的影响。
三、研究方法及技术路线：本课题采用从理论分析、计算模拟、实验验证等多个方面进行研究和探索的方法。
具体技术路线如下：1、充分理解兆瓦级风力机叶片的设计原理和基本参数，通过CAD软件进行叶片的三维建模。
2、对风力机叶片进行气动性能分析，利用数值模拟方法计算叶片的风洞试验数据，得出叶片的升力、阻力、扭矩等气动性能参数。
2MW风电机组叶片气动性能计算方法的研究_刘勋
新能源专题2009年第8期682MW 风电机组叶片气动性能计算方法的研究刘 勋 鲁庆华 訾宏达 孙伟军（北京北重汽轮电机有限责任公司，北京 100040）摘要 本文以某2MW 风电机组的叶片为实例，总结出一套工程上实用的叶片气动性能分析的方法。
使用XFOIL 和Fluent 软件，对叶片不同截面的翼型计算了小攻角范围内的气动性能，并对两种计算结果进行对比分析；在翼型小攻角气动性能的基础上，利用Viterna-Corrigan 修正将翼型的气动性能扩展到±180°全攻角范围。
使用这些全攻角翼型气动性能数据，在Bladed 软件中建立风电机组的叶片模型，分析计算该叶片的气动性能、整机功率曲线等性能。
通过最终计算结果与原设计值对比，表明采用该方法分析风电机组叶片的气动性能是可行的。
关键词：风力发电机；叶片；气动性能The Research of Aerodynamics Performance Calculation Method of2MW Horizontal Wind Turbine BladesLiu Xun Lu Qinghua Zi Hongda Sun Weijun（Beijing Beizhong Steam Turbine Generator Co., Ltd, Beijing 100040）Abstract A suit of aerodynamics performance analyses method in the practical engineering calculation is obtained by research the blade of a 2MW horizontal axis wind turbine. With the software of XFOIL and Fluent, the aerodynamic performances of airfoil in the small angle of attack arrange are calculated in the different radial location. The XFOIL and Fluent calculation results are compared. On the base of the small angle of attack arrange, using the Viterna-Corrigan post stall modified, the aerodynamic performances of the airfoil are extended from -180°to +180°angle of attack range. With the XFOIL calculation data of all angle of attack range, the blade models of this wind turbine are founded in the software of bladed. The simulation results of the blade root load and the power curve of aerodynamic performance on the wind turbine are obtained. The Comparison between simulation results and original design shows the aerodynamics performance analyses method is viable.Key words ：wind turbine ；blade ；aerodynamics performance1 引言风能是一种清洁、用之不竭的能源。
风力机柔性叶片翼型的气动特性研究
８
°,所计算的攻角范围为 ８
°≤α ≤９０
°;
CDs 为对应开始失
速攻 角 的 阻 力 系 数;
CLs 为 对 应 开 始 失 速 攻 角 的 升 力
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图 ４ 叶片翼型尾缘柔性襟翼
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机大型化是现代风电机组发展的必然方向.单机
吻合较好.
关键词:柔性叶片;翼型;柔性变形;气动性能;修正公式
中图分类号:
TK８
DOI:
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风力发电机组叶片模型气动载荷研究的开题报告
风力发电机组叶片模型气动载荷研究的开题报告一、研究背景和意义随着全球能源危机的日益加剧和环境污染问题的突出，风力发电逐渐被视为一种具有重要发展前途和广阔市场前景的清洁能源。
风力发电机组中的叶片是其最核心的部件之一，其质量和结构直接决定了发电效率和性能。
在风力发电机组叶片设计过程中，需要对其气动载荷进行研究，以便对其进行优化设计和改进，提高其效率和安全性能。
二、研究内容和方法本文将通过模拟风力发电机组叶片模型在风场环境下的运动状态，研究其在不同风速和角度下的气动载荷，探究气动力学特性和机械结构特性之间的相互作用关系，最终得出叶片的结构设计和优化方案。
具体研究方法包括：建立数学模型和力学模型，进行计算机模拟和仿真实验，采集数据和测试结果，进行数据处理和分析，得出结论和建议。
三、研究成果和预期目标通过本研究，预期将得到以下成果：1.建立风力发电机组叶片模型气动载荷仿真模型，模拟不同工况下的叶片运动状态；2.提出针对叶片气动载荷改善措施和优化设计方案；3.探究风电叶片气动力学特性和机械结构特性之间的相互作用关系，提升风电叶片性能和安全性能；4.为我国风力发电产业提供技术支持和指导，促进风力发电产业发展和环境保护。
四、研究计划和进度安排本研究总共分为以下四个阶段：1.文献调研和理论分析：2022年2月至2022年5月（完成）；2.建立数学模型和力学模型：2022年6月至2022年8月（完成）；3.进行计算机模拟和仿真实验，采集数据和测试结果，进行数据处理和分析：2022年9月至2023年3月（进行中）；4.得出结论和建议，整理报告：2023年4月至2023年6月（计划中）。
五、潜在的困难和挑战在研究过程中，可能会出现一些挑战和困难，如叶片材料和制造工艺的选择和优化、数学模型和力学模型的建立和验证、实验数据的采集和分析过程中的误差和不确定性等问题，需要进行合理的解决方案和方法。
六、结论本文旨在研究风力发电机组叶片气动载荷和优化设计，提高风力发电机组的效率和性能，为我国风力发电产业的发展提供技术支持和指导。
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新能源专题2009年第8期682MW 风电机组叶片气动性能计算方法的研究刘 勋 鲁庆华 訾宏达 孙伟军（北京北重汽轮电机有限责任公司，北京 100040）摘要 本文以某2MW 风电机组的叶片为实例，总结出一套工程上实用的叶片气动性能分析的方法。
使用XFOIL 和Fluent 软件，对叶片不同截面的翼型计算了小攻角范围内的气动性能，并对两种计算结果进行对比分析；在翼型小攻角气动性能的基础上，利用Viterna-Corrigan 修正将翼型的气动性能扩展到±180°全攻角范围。
使用这些全攻角翼型气动性能数据，在Bladed 软件中建立风电机组的叶片模型，分析计算该叶片的气动性能、整机功率曲线等性能。
通过最终计算结果与原设计值对比，表明采用该方法分析风电机组叶片的气动性能是可行的。
关键词：风力发电机；叶片；气动性能The Research of Aerodynamics Performance Calculation Method of2MW Horizontal Wind Turbine BladesLiu Xun Lu Qinghua Zi Hongda Sun Weijun（Beijing Beizhong Steam Turbine Generator Co., Ltd, Beijing 100040）Abstract A suit of aerodynamics performance analyses method in the practical engineering calculation is obtained by research the blade of a 2MW horizontal axis wind turbine. With the software of XFOIL and Fluent, the aerodynamic performances of airfoil in the small angle of attack arrange are calculated in the different radial location. The XFOIL and Fluent calculation results are compared. On the base of the small angle of attack arrange, using the Viterna-Corrigan post stall modified, the aerodynamic performances of the airfoil are extended from -180°to +180°angle of attack range. With the XFOIL calculation data of all angle of attack range, the blade models of this wind turbine are founded in the software of bladed. The simulation results of the blade root load and the power curve of aerodynamic performance on the wind turbine are obtained. The Comparison between simulation results and original design shows the aerodynamics performance analyses method is viable.Key words ：wind turbine ；blade ；aerodynamics performance1 引言风能是一种清洁、用之不竭的能源。
风能不仅储量丰富，而且分布广泛。
2006年国家气候中心对我国风能资源进行评价，得到的结果是：在不考虑青藏高原的情况下，全国陆地上离地面10m 高度层风能资源技术可开发量为25.48 亿kW [1]。
此外，风能的开发相较与其他新能源也更为容易。
因此，近年来，风力发电得到了国家、社会、各投资研发机构的高度关注，而风电产业也进入了高速发展的时期。
风力发电机组通过叶片吸收风能，将其转化为传动链的机械能。
风机叶片的设计是兆瓦级大型风电机组的最为重要的关键技术之一。
而叶片气动性能计算是风机叶片及风电机组设计和校核中的重要环节。
目前比较成熟叶片气动分析方法是基于叶素动量理论（BEM ），并针对风机叶片特点在该理论上作了相应的经验修正。
而Bladed 软件正是以该方法为基础开发的风机性能计算商用软件，已广泛用于风机叶片及风机机组的设计、认证。
通过这些方法及软件作风机叶片的气动性能分析，都需要获得叶片所用翼型的气动特性曲线，如升力、阻力系数曲线等。
通常，各类翼型的这些气动特性都是在风洞中实验获得，其实验过程需要专业的设备，且周期长费用高。
此外，风机专用低速翼型，如DU 系列、FFA-W 系列、Risø-A1系列，其气动特性通常是不公开的。
本文以某2MW 变速变桨风电机组为实例，通过数值模拟的方法得到该机组叶片所用翼型的气动特性曲线，弥补了实验方法的不足。
在此计算结果的基础上，通过Bladed 软件建模分析，获得该风电新能源专题2009年第8期 69机组工作性能曲线，进而总结出一套工程上实用的叶片气动性能分析的方法。
并通过与原设计值进行对比分析，验证该方法的准确性。
2 翼型的气动特性计算随着计算机技术的不断发展，采用CFD 方法计算风力机翼型参数的方法得到了很大的推广，解决了通过实验获得数据的局限，然而CFD 方法在计算翼型边界层流动中，由于流动分离，二维模型计算结果与实验偏差较大，采用三维计算受到计算机硬件的限制，同时计算时间较长，耗时耗力，目前在工程中应用有很大的困难[2]。
XFoil 是亚音速翼型分析和设计软件，在风机专用翼型设计方面也有广泛应用[3]。
在翼型失速前的小攻角范围内，该软件计算结果与实验数据有很好的一致性[3-4]。
在翼型失速点附近，XFoil 计算升力系数较实验值略为偏大。
对于变速变桨风电机组，叶片设计工作点一般处于最大升阻比附近，此时使用XFoil 计算的翼型气动特性曲线是可靠的。
该叶片使用优化后的DU-xx 系列和NACA 636xx 系列翼型，通过XFoil 计算，得到这些翼型的气动特性曲线，如图1所示（以DU-25为例）。
其中，计算时雷诺数为6×106，马赫数0.2。
图1 DU-25翼型升力、阻力系数曲线同时，作为对比，本文使用Fluent 软件分析了DU-25翼型气动特性。
计算采用C 型结构化网格，10倍弦长的压力远场计算区域，如图2所示。
攻角为5°角。
计算得到升力系数为0.84，XFoil 计算值为0.9。
翼型压力分布对比如图3所示。
图2 流场网格结构图3 翼型表面压力分布对比3 Viterna-Corrigan 修正风电机组运行的环境复杂多变，其叶片并不总是工作在正常工况下。
风可能以各种角度吹向叶片。
因此，在分析风机叶片在各种工况下气动性能时，获得翼型的±180°全攻角范围的气动特性曲线是必要的。
通常我们可以通过Viterna-Corrigan 修正的方法[5]，将小攻角范围内的翼型气动特性系数外推至全攻角范围。
该方法假定大攻角时翼型的气动特性与平板类似，此时气动系数只与平板的展弦比有关。
Viterna-Corrigan 修正方法描述如下[6]：在0~90°攻角范围内，大攻角翼型的升力、阻力系数可由下式得出D max Dmax 2.01501.110.01850C AR C AR AR =>⎧⎨=+⎩；；≤ 2D D max 2sin cos C C B αα=+2Dmax L 2C cos sin22sin C A ααα=+ 2Ds Dmax s2sC -C sin cos B αα=()s2Ds Dmax s s 2ssin -sin cos cos A C C αααα= 其中，AR 为叶片的展弦比。
下标s 表示失速攻角（当外推起始攻角大于失速攻角时，s 表示外推起始攻角）。
对于90°~180°和-180°~0°攻角范围，翼型的升力系数通过缩放和镜像0~90°的升力系数曲线获得。
对于不对称翼型，缩放系数为0.7。
攻角±180°时，升力系数为0。
其他升力系数曲线所缺部分，通过线性插值获得。
阻力系数不缩放，直接镜像获得。
外推得到±180°攻角范围的翼型气动特性如图4所示（以DU-25为例）。
4 Bladed 建模分析在上述方法得到的叶片翼型气动特性曲线的基础上，本文使用GH 公司的Bladed 商业软件，构建新能源专题2009年第8期70了该2MW 机型的叶片几何模型和部分整机模型，并作了气动性能分析。
模型的基本参数见表1。
图4 DU-25翼型±180°攻角范围升力、阻力系数曲线表1 模型的基本参数参数名称 参数值叶片长度/m 39.1 最大弦长/m 2.95 叶片投影面积/m 2 81.5叶片锥角 1° 扭角 3.2°~15°所用翼型DU-xx 系列，NACA636xx 系列风轮直径/m 80 轮毂高度/m 80 风轮仰角 5° 额定风轮转速/r/min 18功率控制 变速变桨4.1 C p -λ曲线风能利用系数综合反应了叶片的气动性能，是叶片最重要的设计参数。
图5为计算的叶片风能利用系数C p 与尖速比λ的关系图，可以看出当尖速比在8~9范围内，叶片的有最高的风能利用系数，C p 最大值为0.49。
该叶片原设计尖速比为8，理论风能利用率为0.48。
二者偏差约为2%。
图5 计算风能利用系数-尖速比特性图4.2 功率曲线、推力曲线图6~7分别为计算的标准风机功率、推力曲线与原设计标准功率曲线和推力曲线的对比图（功率曲线考虑机械和电气损失）。
两种功率曲线在中风速区域符合的很好；在低风速区，计算功率值偏小。
这是因为受Bladed 模型中发电机最低转速限制，低风速下不能保证叶片处于最佳尖速比状态，风能利用系数较低。
但该2MW 风电机组具有低转速（低于一般电机转速下限）发电功能，在低风速下也能保持较高的C p 值。
在额定风速附近，控制系统已开始驱动变桨，限制功率。
由于Bladed 模型中设置的控制模式与原设计不一致，导致该区域计算功率偏大。