风机设计

《风力机空气动力学》

一、基础理论 动量理论：

描述作用在风轮上的力与来流速度之间的关系。 根据叶素理论：

将风轮叶片沿展向分成许多微段，即叶素，并假设在每个叶素上作用的气流相互之间没有干扰，作用在叶片上的力可分解为升力和阻力。 叶素-动量理论：

假设各个叶素单元作用相互独立，各个圆环之间没有径向干扰，轴向诱导因子a 并不沿着叶轮径向改变。

图1-1 风力机受力示意图 参考公式：

轴向速度：0)1(v a v a -= 切向速度：r a v rot ω)'1(+=

图1-2 叶素速度示意图

叶素入流流速：222

2)()'1()1(r a v a v rel ω++-= 入流角：rel rel v a r v a v )

1(cos ;)1(sin ,0+=

-=ωφφ 攻角：βφα-=

法向力系数：φφsin cos d l n C C C += 切向力系数：φφcos sin d l t C C C -= 诱导系数迭代方程：

φσ2sin 41F C a a

n r =

- φφσcos sin 4'1'

F C a a t r =

+ φπ

sin 2)

(cos 2

1r r R N f e F f -=

=

--

风轮实度：R

Nc

r Nc r πμπσ22==

叶素单位圆环扇面转矩：r r a a wr v M δπρδ2,0)1()(4-= 功率系数表达式：2

302

1R

v P

C p πρ=

翼型与叶尖速比的关系：2

2

2))

'1(()1('4a a a C l r ++-=

λμμλλσ

风轮直径设计：3

8v C P D p u

πρ=

叶尖速比：0

2

/v D ωλ=

二、叶片设计流程

(一) 按照给定叶尖速比设计叶片参数

(二) 改变叶尖速比，比较设计

改变λ，绘制C p 和λ的对应关系曲线。 符号表

a ：轴向诱导系数 a ’：切向诱导系数 c ：弦长

d C ：阻力系数： l C ：升法向力系数：

C：法向力系数

n

C：切向力系数

t

C p：功率系数

M：转矩

N：叶片数

P：风轮功率，W

P u：设计功率，W

r：叶素半径，m

R：风轮半径，m

v0：来流风速，m/s

v a：轴向风速，m/s

v rel：入流总速度

v rot：切向速度

α：冲角

β：当地叶片弦线到相对于风轮平面的倾角（例如，叶片扭角加上桨距角）φ：入流角

λ：叶尖速比，阻力型风力机：0.3~0.6，升力型风力机：3~8，高速风力机6~8μ：无因此径向位置，μ=r/R

σr：风轮实度

ω：旋转角速度

ρ：空气密度，1.225kg/m3

参考文献

[1] 风力机空气动力学. [丹麦]Martin O.L.Hansen 著. 肖劲松译. 中国电力出版社. 2009.6

[2] 风力机空气动力学. 吴双群赵丹平主编. 北京大学出版社. 2011.10

[3] 风能技术. [美]Tony Burton 等著. 武鑫等译. 科学出版社. 2007.9

[4] 小型风力发电机设计与制作. [日]久保大次郎著. 姚兴佳王益全译. 科学出版社. 2012.7