文档介绍：风力机叶片的优化设计
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上海理工大学动力工程学院上海
摘要:风力机叶片的优化设计对于提高风能利用效率和功率输出有重要的意义。基于求解叶素一动量定理方程,
忽略阻力影响,考虑叶尖损失因素,得出了一种风力机叶片的优化设计方法。该方法可以从理论上保证获得最大的风能利
用系数,并对于不同翼型的叶片设计具有通用性。
关键词:风力机叶片优化设计叶尖损失
中图分类号:; 文献标识码: 文章编号:———
风力发电是一种与传统燃料发电相竞争的无污叶素一动量定理是假定作用于叶素上的力仅与通
染发电方式,是富有生命力的清洁能源。风力发电机过叶素扫过圆环的气体的动量变化有关,通过邻近圆
组正向单机大容量并网型方向发展,目前以下环的气流之间不发生径向相互作用。因此,对于由Ⅳ
的并网风力发电机组已广泛投入运行中,国外个叶素组成的叶片有以下关系:
的风力发电机组已处在试运行阶段, 及以上级由力平衡得:
别的大型风力发电机组也已在研制中。在风力发电机咖
中,叶轮是最重要、最昂贵的部件,单个部件约占整个【一口】
风力发电机成本的% ,其中叶片占.% 。叶片式中:为空气密度; 为叶素的个数;为叶素弦长;
的设计不仅决定了风力机的效率而且还决定其输出为升力系数; 为阻力系数;为叶素处的半径。
功率。叶片技术主要包括叶片的设计理论、叶片的结由力矩平衡得:
构形式、叶片材料选择及叶片的加艺等方面。本咖一咖
文主要从风力机的效率和输出功率两方面进行多叶∞—
片优化设计。令:
, 一
叶素一动量定理】
代人式和式得:
叶素是指将叶片沿叶展方向分成若干个小段, /—,—;/咖/咖
每一个小段称为叶素。叶素是进行叶片气动设计计算/ , /
的基本单元,其速度和作用力示意如图所示。式中: , /,为弦长实度,即给定半径下叶
图中: 为无穷远处的来流风速;力为风力机旋素的总弦长与该半径下的周长之比;为叶片数。
转角速度; 为周向速度; 为相对合速度;为轴向显然,利用翼型特性由式和式通过迭代可
诱导因子;口为周向诱导因子; 为攻角;届为桨距角; 求解出气体诱导因子口和。
西为人流角;为升力; 为阻力。
叶片几何参数的优化设计
对于变速运行的风力机而言,不管风速的大小,其
维持获得最大风能利用系数的叶尖速比为恒定值。为
了得到最大可能的风能利用系数,就要使得叶片功率
输出最大,需要组成叶片的每个叶素处所获得的功率
最大,因此,必须对式和式进行求解。
对于给定的叶尖速比为,要使每一叶片产生的
转矩最大。须对式求导得:
/。一口/
将式和式相比,并忽略阻力影响,化简得:
收稿日期:月—一口
/ 机械制造卷第期
式中,/,为叶尖速比;/,为当地
半径比; 为叶尖半径,即叶片的展向长度。
将式对进行求导得:
一口/口一
联立式和式得:
—一一
由式和式得出优化运行时的气流诱导因子:
/ 口一口/
在叶尖处,叶尖涡引起的气流因子很大,使来
流的人流角变得很小,从而升力在切向上的分量将变
小,导致转矩变小,也即输出功率减少,这种减少称为
叶尖损失。在风力机叶片设计时,有必要考虑这种损
失,根据普朗特渐进