文档介绍：第卷第期工程热物理学报,
年月,
风力发电机叶轮的数值优化设计法
邓兴勇陈云程叶凡凌志光
上海工程技术大学能源所上海上海同济大学工程力学系上海
关键词风力发电机, 叶轮, 设计
引言
目前, 在风力机叶轮的气动设计方面, 还没有其系统的设计模型和方法, 只有一些
针对某一方面的模型, 这些模型还无法规纳成一套可靠的系统的设计模型,
在他的风力机设计理论的书中也只能介绍几种简化的有关设计模型, 所用的设计方法
主要还是以经验设计为主, 不是全面系统地考虑叶轮的各种影响因素, 如在他
的设计工作中主要考虑了叶片翼型对叶轮运行的气动作用, ’只是对偏航工况
下叶轮的气动特性及操作进行了分析研究, 文献也仅对叶轮功率等气动特性进行计
算分析等。本文综合分析各种有关叶轮因素的气动模型, 建立了一套考虑风力机各种因
素的叶轮气动设计数值方法。
叶轮优化设计的数学模型
确定叶轮直径的模型
根据前人大量的实践, 对于现代高速风力机, 其额定功率可粗略地写为尸”
。
其中, 为叶轮直径, 为额定风速
叶片弦长的模型
简化的风车模型在这个模型中, 假设风力机按照贝茨理论的最佳条件运行,
不考虑叶片涡流的分布及影响, 得
二小。斌入若」
其中, ‘为叶片截面翼型升力系数, 为叶片数, 为叶片截面弦长, 为叶轮半径,
入。为叶轮尖速比、, 。为叶轮转速, , 为本截面所在叶轮径向坐标。
涡流模型本模型考虑了叶轮及叶片涡系对叶片气动特性的影响, 由
涡流引起的诱导风速可看成是由中心涡系、每片叶片的附着涡系及叶片尖部形成的涡系
叠加的结果。主要公式为
【二一功【无一
其中, 为叶片翼型气动特性的升力线角, 功为叶轮旋转面与当地气流的夹角, 为中
间变量, 该模型详细见文献。
叶轮叶片扭转角的确定
在叶轮的优化过程中, 其叶片扭转角优化的工作量很大, 且目前还没有什么好的数
本文曾于年月在洛阳召开的中国工程热物理学会热机气动热力学学术会议上宣读。
修改稿于年月日收到。
工程热物理学报卷
学模型。本文假设叶片各截面翼型均具有最佳的气动特性设计风速下, 提出确定叶片
各截面扭转角分布的简化模型, 它表示为
二一卿卜。隽
其中为叶轮当地最佳风速, 。为各截面翼型最佳升阻比下的气动攻角, 隽为保
证叶片尖部扭转角为零而设置的常数。
叶轮功率计算
叶轮功率的计算量是相当大的, 因它包含所有叶片元素的反复迭代, 可以利用基于
气动数学模型的风力机叶轮设计软件包, 对叶轮功率进行计算。
软件包对气动数学模型进行了一些改进, 即考虑了叶轮流场的三维流动和三维效
应等因素, 因此在计算的准确性和精度等方面都比气动数学模型优越同。
一一叶轮设计
在本文的设计中, 把风力机的功率及风力机使用地区的风力资源作为设计的主要因
。
素为使叶轮有较好的总体性能本文的优化原则有叶轮在设计额定风速达到额定
功率, 且轴功率应为额定功率的考虑到发电机和变速箱的效率叶轮叶尖速
度小于在低风速下, 叶轮有一定的功率如时, 叶轮应有一定功率
叶轮直径及转速应尽可能的低风速达到额定风速后继续提高, 其功率应有所下
降。
叶片数、直径、转速及翼型的确定
考