风力发电机叶片设计

合集下载

1011第十-十一讲叶片设计理论

N max

1 2
C
p
sv13
34
而
1 2
sv1正是风速为
v1
的风能,故
Nmax CpT
Cp =0.593说明风吹在叶片上,叶片所能获得的最
大功率为风吹过叶片扫掠面积风能的59.3%.贝茨
理论说明,理想的风能对风轮叶片做功的最高效率
是59.3%。
35
通常风力机风轮叶片接受风能的效率达不到59.3%，一般设计时根据叶片的数量、叶片翼型、功率等情况，取0.25～0.45。
' 1 z
2
42
因为，可得：
a' (Z ) /
Z (a'1)
气流对叶轮的角速度

' 1 (1 a' )
2
(2)
43
三、动量理论
图9 动量理论简图
44
在叶轮上r--r+dr的环域内应用动量定理（如图 9），则风作用在该环域上的轴向推力为
26
s
v1
s1
v
s2 v2
图7 贝茨（Betz）理论计算简图
vv12
s
—叶片前的风速；
v
—风经过叶片后的速度； —风经过叶片时的面积；
ss12
—风经过叶片时的速度； —叶片前风速的面积； —风经过叶片后的面积
27
分析一个放置在移动的空气中的“理想风轮”叶片上所有受到的力及移动空气对风轮叶片所做的功。
22
当空气经过风轮圆盘时显然有静压降存在，以至于空气离开风轮时其压力会小于大气压力。空气流就会以减小的速度和静压向下游前进——这个气流域被称为尾流。

风力发电机的叶片设计方法研究（全面）

ａｃｃｉｄｅｎｃｅｄｅｓｉｇｎ，Ｔｈｅｓｅｗａｙｓｈａｖｅｏｗｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｐｏｉｎｔｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ，Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｓｔｅｒｓｓｌｙｄｉｓｃｕｓｓｔｈｅｍｏｍｅｎｔｕｍ－ｅｌｅｍｅｎｔｔｈｅｏｙｗｒａｙ，ｔｈｉｓｗａｙｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｉｎｔｈｅｂａｓｉｃｏｆｔｈｅｔｗｏａｈｅａｄｗａｙｓ，ａｎｄｉｔｏｖｅｒｃｏｍｅｔｈｅｉｒｄｅｆｅｃｔ．Ｉｔａｌｓｏｕｓｅｅｌｅｍｅｎｔｔｈｅｏｙｔｒｏｄｅｌｗａｉｔｈｖａｎｅｄｅｓｉｇｎ．Ｉｎｔｈｅｖａｎｅｄｅｓｉｇｎｉｎｇａｎｄａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｌｃａｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｙｂｏｔｈｒｅｌａｔｅｗｉｔｈｉｎｔｅｒｖｅｎｅｇｅｎｅ，ｓｏｔｈｅｋｅｙｓｔｏｎｅｉｓｔｏｃａｒｒｙｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｉｎｔｅｒｖｅｎｅｇｅｎｅｉｎｔｗｏｃａｓｅ，ｔｈｅｒｅｏｕｔｔｏｄｏｔｈｅｖａｎｅｄｅｓｉｇｎａｎｄａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｌａｃｕｌａｔｉｎｇ．

风力发电机叶片设计—

风力发电机叶片的设计经济、能源与环境的协调发展是实现国家现代化目标的必要条件。

随着全世界气候变暖与化石能源的不断消耗及其对环境的影响问题，其他能源的开发愈来愈受到重视，如核能、地热能、风能、水能等新能源及生物质能、氢能的二次能源的开发应用也日趋发展起来。

而在这些新兴的能源种类中，核能的核废料处置相当困难，而且其日污染相较火电厂更为严重，同时需要相当周密的监管控制能力以避免其泄露而产生不可估量的破坏，国际上这些例子也是相当多的。

而地热能的开发必将要依赖与高科技，在现今对地热开发利用还不完善的现状下，更是难以做到，而且其开发对地表的影响也相当大。

而风能则作为太阳能的转换形式之一，它是取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源，不产生任何有害气体和废料，不污染环境。

海上，陆地可利用开发的可达2×1010kW，远远高于地球水能的利用，风能的发展潜力庞大，前景广漠。

自20世纪70年代中期以来，世界主要发达国家和一些发展中国家都在加紧对风能的开发和利用，减少二氧化碳等温室气体的排放，保护人类赖以生存的地球。

风力发电技术相对太阳能、生物质等可再生能源技术更为方便，本钱更低，对环境破环更小，作为清洁能源的主要利用方式而飞速发展，且日趋规模化。

一、叶片设计的意义在风力发电机中叶片的设计直接影响风能的转换效率，直接影响其年发电量，是风能利用的重要一环。

本文主如果设计气动性能较好的翼型与叶片并进行气动分析。

而翼型作为叶片的气动外形，直接影响叶片对风能的利用率。

此刻翼型的选择有很多种，FFA-W系列翼型的长处是在设计工况下具有较高的升力系数和升阻比，而且在非设计工况下具有良好的失速性能。

叶片的气动设计方式主要有依据贝茨理论的简化设计方式，葛老渥方式与维尔森方式。

简化的设计方式未考虑涡流损失等因素的影响，一般只用于初步的气动方案的设计进程；葛老渥方式则忽略了叶尖损失与升阻比对叶片性能的影响，同时在非设计状态下的气动性能也并未考虑；维尔森方式则较为全面是现今常常利用的叶片气动外形设计方式。

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。

风力机叶片设计与制作课程设计

风力机叶片设计与制作课程设计风力机空气动力学课程设计(综合实验)报告( 2012 -- 2013 年度第 1 学期)名称：风力机空气动力学题目：风力机叶片设计与制作院系：可再生能源学院班级：学号：学生姓名：指导教师：设计周数：成绩：日期：2014年1 月11日一、目的与要求主要目的：1.掌握动量叶素理论设计风力机叶片的原理和方法2.熟悉工程中绘图软件及办公软件的操作3.掌握科研报告的撰写方法主要要求：1.要求独立完成叶片设计参数的确定，每人提供一份课程报告2.每小组提供一个手工制作的风力机叶片二、设计（实验）正文设计并制作一个风力机叶片1.原始数据三叶片风力机功率P＝6.03KW来流风速7m/s风轮转速72rpm风力机功率系数Cp＝0.43传动效率为0.92发电机效率为0.95空气密度为1.225kg/m35人一组，每个小组采用一种风力机翼型，翼型的气动数据（升力系数，阻力系数，俯仰力矩系数）已知。

2.设计任务1)风力机叶片设计：根据动量叶素理论对各个不同展向截面的弦长和扭角进行计算，按比例画出弦长、扭角随叶高的分布。

2)根据以上计算结果手工制作风力机叶片，给出简单的制作说明。

三、进度计划四、数据计算选用翼型s830 1.叶片半径的计算：由风力发电机输出功率：212381ηηπρP r C D V P =得，叶片直径：mC V PD P r 863.992.095.043.07225.11003.68833213=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯==πηηπρ 叶片半径：m DR 932.42386.92===2.叶尖速比的计算：整个叶片的叶尖速比：31.57329.460/72260/2110=⨯⨯=⨯=Ω=ππλv R n V R设计中取9处截面，分别是叶片半径的0.15,0.20,0.30，……，0.90.3.各截面处翼型弦长：确定每个剖面的形状参数N:可根据公式：求得：由气动数据表查得最大升力系数 LC =1.5283 ，取风机叶片数 B=3，不同半径处叶片弦长的计算由程序直接给出结果及线性优化后修正弦长如下：图如下（系列1为计算弦长；系列2为修正后弦长） 94)(/9162200+=R r r R N λλπ94)(9162200+==R r B C R B C rN C l l λλπ3. 各截面处翼型的扭角：由右上图知各截面处的扭角：αφθ-=其中φ为各截面处的入流角，α为翼型临界攻角，且由气动数据表查得最大升力系数对应的攻角为α =5°即为翼型临界攻角根据相关关系式就可以通过迭代方法求得轴向诱导因子a 和周向诱导因子b ，迭代步骤如下：1) 假设a 和b 的初值，一般可取0；2) 计算入流角；3) 计算扭角θ = φ -α；()()r b V a Ω+-=11arctan1φ0.00000.20000.40000.60000.80001.00001.200000.51 1.52 2.53 3.54 4.55弦长随叶高的分布修正后的弦长未修正的弦长4) 根据翼型空气动力特性曲线得到叶素的升力系数Cl 和阻力系数Cd ；5) 计算叶素的法向力系数Cn 和切向力系数Ctφφφφcos sin sin cos d l t d l n C C C C C C -=+=6) 计算a 和b 的新值 2πBcr σ= φφσφσcos sin 41sin 412F C b b F C a a t n =+=-7) 比较新计算的a 和b 值与上一次的a 和b 值，如果误差小于设定的误差值（一般可取0.001），则迭代终止；否则，再回到（2）继续迭代。

风力发电机叶片除冰机器人的结构和功能设计

0 引言由于我国大量风力发电机分布在北方高寒地区且大型化趋势明显，因此在运行中因冰雪覆盖而造成的运行故障、设备老化、安全隐患和发量损失成为亟需解决的问题[1-2]。

在风电场运行阶段，覆冰会导致风速和风向出现测量误差，使风电机组偏航；同时，还会改变叶片翼型和表面粗糙度，影响气动特性和发电出力[2]。

覆冰可导致叶片质量失衡，使其产生振动和共振；在低温条件下，润滑油黏性和润滑特性的改变可能间接影响机械元件的运转特性，导致变速箱等元件过热、加速老化，从而使风机寿命大幅缩短。

不仅如此，雪水渗流还可能导致控制系统失灵。

当叶片旋转时，叶片覆冰可被抛射至相当于叶片顶端高度1.5倍的地方，可能造成安全事故[2-5]。

此外，因覆冰而导致的电量损失约占年度发电量的5%~25%[6]。

为了解决覆冰问题，国内外研究人员研发了多种风力机叶片防除冰技术和方法，其中主要包括主动停机、防水防冰涂料、热空气技术、电磁脉冲技术、超声波和低频振动技术[7]。

由于风力机所处环境复杂且技术尚不成熟，因此除无须进行任何改造或者设备增添的主动停机之外，其他技术均处于理论研究和试验阶段。

例如，涂抹防冰剂效果不明显且需要人工操作，存在较大的安全隐患；停机等待覆冰自行融化耗时长，存在抛冰风险；人工作业除冰安全风险大。

总之，现有技术在能耗、工艺和安全等方面都有各自的缺陷。

为了解决上述问题，该文设计了一款风力机叶片除冰机器人，它能够高效、智能地去除风力机叶片上的积冰，减少停机时间，提高发电效率，避免人工除冰的安全隐患。

1 整体设计风力机叶片除冰机器人的设计目标是安全、高效和智能地完成风力机叶片防冻除冰作业，主要的功能模块包括移动机组、图像识别系统、热风除冰系统、预防系统以及远程控制系统，设计思路是集各模块功能于一体，通过建模完成风力机叶片除冰机器人的结构设计（图1），再根据模型选材、叶片的承载能力，并结合理论计算预测该机器人的相关参数（表1）。

2 功能模块设计风力机叶片除冰机器人各功能模块的工作流程如图2所示。

风力发电机高效设计原理

风力发电机高效设计原理风力发电机是利用风能转换为电能的设备，是清洁能源中的重要组成部分。

为了提高风力发电机的效率，设计原理至关重要。

本文将介绍风力发电机高效设计的原理，包括叶片设计、转子设计、发电机设计等方面。

一、叶片设计叶片是风力发电机中最关键的部件之一，其设计直接影响到整个系统的性能。

在高效设计中，叶片的形状、材料和尺寸都需要精心考虑。

1.形状设计：叶片的形状应该是 aerodynamic（空气动力学）优化的，以确保在风力作用下能够获得最大的动力输出。

常见的叶片形状包括平面翼型、对称翼型和非对称翼型等，根据具体的风场条件和功率需求选择合适的形状。

2.材料选择：叶片的材料应该具有良好的强度和轻量化特性，常见的材料包括玻璃钢、碳纤维等。

选择合适的材料可以减轻叶片的重量，提高转动效率。

3.尺寸设计：叶片的长度和宽度也是影响效率的重要因素。

合理的尺寸设计可以提高叶片的捕风面积，增加风能的转换效率。

二、转子设计转子是风力发电机中负责转动的部件，其设计也对系统的效率有着重要影响。

在高效设计中，转子的重量、平衡性和转动稳定性都需要考虑。

1.重量设计：转子的重量应该尽量轻量化，以减小惯性力和摩擦力，提高转动效率。

合理选择材料和结构设计可以实现轻量化的转子。

2.平衡性设计：转子在高速旋转时需要保持良好的平衡性，避免产生振动和噪音，影响系统的寿命和性能。

采用动平衡和静平衡技术可以提高转子的平衡性。

3.转动稳定性设计：转子的转动稳定性直接影响到系统的安全性和可靠性。

通过优化轴承设计和转子结构设计，可以提高转子的转动稳定性，减小能量损失。

三、发电机设计发电机是将机械能转换为电能的核心部件，其设计也是风力发电机高效设计的关键之一。

在高效设计中，发电机的效率、功率密度和可靠性都需要考虑。

1.效率设计：发电机的效率直接影响到系统的总体效率。

采用高效的电磁设计和导磁材料可以提高发电机的效率，减小能量损失。

2.功率密度设计：发电机的功率密度表示单位体积或单位重量下的输出功率，高功率密度可以实现更小的体积和重量，提高系统的紧凑性和轻量化。

风力发电机叶片气动外形设计方法概述

0 引　言风力发电是风能利用的主要方式，叶片是用来转换风能的关键部件。

风力发电机叶片的外形决定了风能转换的效率，因而风力发电机叶片气动外形设计关系到风力发电机的性能，是风力发电机设计着重考虑的部件之一。

Glauert理论、Schmitz理论和动量—叶素理论是叶片设计的基础理论，现代叶片设计方法都是在这些理论上进一步发展起来的。

到目前为止，Glauert理论和动量—叶素理论仍在广泛的使用。

分别介绍了三种理论如何求解叶片的弦长和来流角并运用C#语言对以上三种方法进行编程，实现对叶片弦长和来流角的求解，并对这三种方法求解出来的结果进行比较和分析。

1 理论方法介绍 1.1 Glauert理论 G1auert设计方法是考虑风轮后涡流流动的叶素理论(即考虑轴向诱导因子a 和切向诱导因子b )；但在另一方面，该方法忽略了叶片翼型阻力和叶梢损失的作用，这两者对叶片外形设计的影响较小，仅对风轮的效率影响较大。

[4] 由一系列的推导知道[1]，对于在给定半径r 处的尖速比，当时，即时，P C 有最大值。

令（1）式中： —中间变量在等式两边同除以，得（2）风力发电机叶片气动外形设计方法概述贾娇1 田德※1，2 王海宽1 李文慧1 谢园奇2（1.内蒙古农业大学机电工程学院 2.华北电力大学可再生能源学院）摘　要：该文介绍了目前风力发电机叶片的主要设计理论——Glauert理论、Schmitz理论和动量—叶素理论。

运用以上三种理论，使用c#语言编程分别计算了1000W叶片的弦长和来流角，并对计算出的结果进行了比较和分析。

从设计的结果可以得到，用动量—叶素理论设计出来的弦长和来流角较Glauert 理论和Schmitz理论设计出来的弦长和来流角更小。

但是用以上三种理论设计出来的弦长和来流角在叶根处都偏大。

关键词：风力发电机；叶片；气动外形设计而，则即，由此可得：（3）将上式代入（1），便可求得a 值。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

风力发电机叶片的设计经济、能源与环境的协调发展是实现国家现代化目标的必要条件。

随着全球气候变暖与化石能源的不断消耗及其对环境的影响问题，其他能源的开发越来越受到重视，如核能、地热能、风能、水能等新能源及生物质能、氢能的二次能源的开发应用也日益发展起来。

而在这些新兴的能源种类中，核能的核废料处理相当困难，并且其日污染相比火电厂更为严重，同时需要相当严密的监管控制能力以防止其泄露而产生不可估量的破坏，国际上这些例子也是相当多的。

而地热能的开发势必要依赖与高科技，在当今对地热开发利用还不完善的现状下，更是难以做到，并且其开发对地表的影响也相当大。

而风能则作为太阳能的转换形式之一，它是取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源，不产生任何有害气体和废料，不污染环境。

海上，陆地可利用开发的可达2×1010kW，远远高于地球水能的利用，风能的发展潜力巨大，前景广阔。

风力发电技术相对太阳能、生物质等可再生能源技术更为方便，成本更低，对环境破环更小，作为清洁能源的主要利用方式而飞速发展，且日益规模化。

一、叶片设计的意义在风力发电机中叶片的设计直接影响风能的转换效率，直接影响其年发电量，是风能利用的重要一环。

本文主要是设计气动性能较好的翼型与叶片并进行气动分析。

而翼型作为叶片的气动外形，直接影响叶片对风能的利用率。

现在翼型的选择有很多种，FFA-W系列翼型的优点是在设计工况下具有较高的升力系数和升阻比，并且在非设计工况下具有良好的失速性能。

叶片的气动设计方法主要有依据贝茨理论的简化设计方法，葛老渥方法与维尔森方法。

简化的设计方法未考虑涡流损失等因素的影响，一般只用于初步的气动方案的设计过程；葛老渥方法则忽略了叶尖损失与升阻比对叶片性能的影响，同时在非设计状态下的气动性能也并未考虑；维尔森方法则较为全面是现今常用的叶片气动外形设计方法。

本文通过相关的叶片设计理论结合相关软件来设计并简单的优化叶片。

叶片设计的要求不仅需要参考和选用设计标准，还应考虑风电机组的具体安装和使用情况。

叶片的设计过程需要根据总体设计方案，并结合具体的技术要求，通过系统的启动设计和结构设计，实现设计目标。

一般而论叶片设计可分为空气动力学设计阶段和结构设计阶段。

启动设计阶段需要通过选择叶片几何最佳外形，实现年发电量最大的目标；结构设计阶段需要通过选择分析选择叶片材料、结构形式和其他设计参数，实现叶片强度、刚度、稳定性以及动特性等目标，叶片基本设计流程如图1-1所示。

一般情况下，设计需要首先从叶片的气动外形设计展开，然后再根据启动设计要求进行结构设计。

图1-1叶片基本设计流程图但实际上，这种设计流程并不是绝对的，亦即叶片结构设计不能也不可能完全处于从属地位。

从叶片总体设计开始，往往就需要从结构设计角度对气动方案提出修改意见，甚至不得不改变某些界面的气动外形，以获得叶片启动于结构性能的合理匹配。

因此，优良的叶片设计是在各种性能关系合理平衡的过程中形成的结果。

二、叶片类型确定翼型是风力机叶片相当重要的一部分，它直接影响风轮的启动及接受风能的效率，以叶片翼型来区分，叶片可分为平板型、风帆型、扭曲型。

其中平板型与风帆型是主要应用于低速风力机翼型，其主要特点是迎角是不变的，在整个叶片上都相同，所以其结构简单，易于制造且成本低。

自然，其效率也不会高。

而扭曲型的叶片就是叶片的翼型和安装角错误!未找到引用源。

沿叶片长度不同，且由叶根至叶尖逐渐减少，做到使叶片各处都达到最佳迎角状态，以获得最佳升力来得到较高的风能接受效率，相对的，这类翼型叶片制造困难，成本较高。

本文选择扭曲型。

在扭曲叶片中使叶片各处获得最佳迎角的同时不同的迎角处对应有不同的翼型弦长以获得各处相同的升阻比，即相同的气动特性以高效的利用风能。

1叶片气动外形设计方法气动外形是风轮设计过程的主要任务，也是叶片结构设计基础性工作之一。

其理论方法主要有简化设计方法、葛劳渥方法和维尔森方法。

1.1简化设计方法所谓风轮叶片的简化设计方法，是基于动量-叶素理论，主要用于估算叶片距风轮轴线r处叶素截面产生的气动力，进而初步确定翼弦与叶片基本参数的关系。