大型风力机叶片气动外形设计及三维实体建模研究.pdf

大型凤 机叶 乞劲外彩设针 殷 三谁 雾体 建 研 宓 口胡世军 口张恒磊 兰 州理 工 大学 机 电工程 学 院 兰州 7 3 0 0 5 0 摘 要 针 对 大型风 力机 叶 片气 动外 形设 计 方法 ， 基 于动 量一 叶素 理论 ， 通 过 Wi l s o n设 计 法 ， 对 1 ． 5 MW 风力机叶片进行气动外形设计 ， 并提 出一种风 力机 叶片三维建模 的方法， 为叶 片的气动性能计算 和结 构设 计与 分析 奠定 了基础 。 关键词 风力机叶片 气动外形三维建模设计 中图分类 T K 8 3 ； T M3 1 5 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 6 0 1 0 0 1 6 0 3 风 力 机 叶 片 是 风 电机 组 的 核 心 部 件 之 一 ．其 设 计 质 量 对 风 电 机 组 整 体 及 其 零 部 件 的 性 能 和 寿 命 有 着 直 接 影 响 。 随 着 风 电 机 组 容 量 和 叶 片 尺 寸 的 不 断 增 大 ， 且 由 于 叶 片 精 度 、 强 度 和 刚 度 要 求 高 等 特 点 ， 使 叶 片 的 结 构 及 外 形 尺 寸 的 设 计 显 得 更 为 重 要 。 风 力 机 叶 片 设 计 包 括 气 动 设 计 和 结 构 设 计 ，气 动 设 计 的 主 要 任 务 是 确 定 叶 片 的 气 动 外 形 ， 应 用 空 气 动 力 学 基 础 理 论 ， 并 结 合 叶 片 的 结 构 和 工 艺 要 求 ， 形 成 沿 叶 片 展 向 的 截 面 形 状 。 气 动 设 计 的基 本 思 想 是 主 要 考 虑 叶 片 的 各 剖 面 叶 素 输 出 功 率 达 到 最 大 。 1 风 力机气 动外形设计 风 力 机 叶 片 的气 动 外 形 设 计 包 括 叶 片 直 径 D， 叶 片 数 B， 叶 片 翼 型 的 选 取 ， 叶 片 各 截 面 的 弦 长 C， 安 装 角 0 。 笔 者 给 定 的 参 数 风 力 机 输 出 功 率 P I ． 5 MW ． 设 计 风 速 v 1 2 m／ s 。 风 能 利 用 因数 C o 0 ． 4 2。 风 力 机 的 机 电 效 率 ,q -q 1 叩 2 o ． 8 9 叼1 为 传 动 效 率 ， 叼 2 为 发 电 机 效 率 。 1 ． 1 确 定 叶 片 直 径 D 1 9 _ 0 ． 5 p v 3 AC v r l 1 2 1 2 式 中 A 为 风 轮 的 扫 掠 面 积 ， A D2 ／ 4， r n 2 ； p 为 空 气 密 度 ． 取1 ． 2 2 5 k g ／ m 将 各 参 数 代 人 式 2 ， 可 得 D 7 0 I n 。 1 - 2确 定 叶 片 数 8和 叶 尖 速 比 通 常 风 轮 的 叶 片 数 取 决 于 风 轮 的 叶 尖 速 比 。 国 际 GB ／ T 1 3 9 8 1 1 9 9 2给 出 了 叶 尖 速 比 和 叶 片 数 的 对 应 关 系 ， 见 表 1 。 目前 用 于 风 力 发 电 的 风 轮 都 属 于 高 速 风 力 机 ， 叶 尖 速 比 都 大 于 2， 尤 其 是 大 型 风 力 发 电 机 叶 尖 速 比 都 在 3 ～ 1 0， 甚 至 更 高 。考 虑 到 大 型 叶 片 的成 本 、 稳 定 收稿 日期 2 0 1 5年 7月 2 0 1 6 ／ 1 性 、 载 荷 、 噪 声 等 因 素 ， 一 般 都 采 用 三 叶 片 的 风 轮 。 笔 者 选 定 B 3， A7。 表 1 叶尖速比与叶片数 匹配 叶尖速 比A 叶片数 风机类 型 叶尖速比 A 叶片数 B 风机类型 1 6 2 0 低速 4 3 5 中速 2 4 ～ l 2 低速 5 8 2 ～ 4 高速 3 3 ～ 8 中速 8 ～ 1 2 l ～ 2 高速 1 ． 3翼 型 的 选 择 翼 型 对 风 力 机 叶 片 十 分 重 要 ，它 直 接 影 响 风 轮 的 启 动 和 接 受 风 能 的 效 率 。 一 台 性 能 良好 的 风 力 机 应 当 尽 量 增 加 升 力 同 时 减 小 阻 力 ，使 升 阻 比尽 量 趋 于 最 大 值 ，从 而 增 加 风 力 机 的 风 能 利 用 因 数 。 常 用 的 翼 型 有 NA C A4 4 XX 系 列 和 NACA2 3 O XX 系 列 航 空 翼 型 ； 专 用 翼 型 如S ER I系 列、 NRE L 系 列、 Ri s 一 A 系 列 以 及 F F A W 系 列 等 也 逐 渐 得 到 研 究 。T a n g l e r 美 国 可 再 生 能 源 国 家 实 验 室 研 究 员 发 现 一 些 传 统 翼 型 如 NACA2 3 OXX 系 列 对 叶 片 表 面 粗 糙 度 十 分 敏 感 ， 即 当 叶 片 表 面 变 脏 时 ， 翼 型 的 最 大 升 力 因 数 急 剧 下 降 。 NACA6 3 XXX 系 列 能 较 大 程 度 地 减 少 表 面 粗 糙 度 的 影 响 。 因 而 常 用 来 替 代 NACA2 3 0 XX。F X S翼 型 系 列 在 较 大 的 攻 角 时 。 升 力 因 数 很 稳 定 ， 能 较 好 地 满 足 叶 尖 附 近 区 域 含 叶 尖 所 需 的性 能 要 求 。 选 择 翼 型 时 ， 叶根 处 一 般 选 用 相 对 较 厚 的 翼 型 ， 以 承 受 叶 片 运 行 时 的 应 力 ； 叶 尖 应 选 用 相 对 较 薄 的 翼 型 ， 以 满 足 叶 片 的 气 动 性 能 要 求 。 根 据 以 上 表 述 ， 笔 者 选 用 翼 型 为 NACA6 3 -4 21。 1 ． 4翼 型 弦 长 和 安 装 角 计 算 笔 者 采 用W i l s 0 n 设 计 法， W i l s 0 n 设 计 法 是 在 G I a u e r t 设 计 法 基 础 上 作 了 改 进 ， 主 要 增 加 了 对 叶 片 最 佳 性 能 具 有 影 响 的 叶 梢 损 失 因 数 和 升 阻 比参 数 。 由动 量 一叶 素 理 论 可 得 机械制造 5 4卷 第 6 1 7期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m d C sb 1 一 F A 3 d A 01 一a F b 1 - a A Id r c c 。 s e 叮 T 旦 二 2 Rs i n b t a n b 1 1 十 - 。 a 一 1 3 4 5 6 7 一8, r r s i nZ q b 一 8 r 1 --a c o s c b 、 一0 [ 9 式 中 a为 轴 向 诱 导 因 子 ； b为 周 向 诱 导 因 子 ； F为 叶 梢 损 失 因 数 ； R 为 叶 片 半 径 ； r为 叶 素 截 面 到 叶 根 距 离 ； 西 为 来 流 角 ； C 为 叶 片 翼 型 升 力 因 数 ； C 为 叶 素 弦 长 ； 0 为 安 装 角 ； 为 最 佳 攻 角 ； e为 自然 常 数 ， e 2 ． 7 1 8 。 以 上 步 骤 可 通 过 MAT L AB编 程 实 现 ， 具 体 流 程 图 如 图1所 示 。根 据 图 1流 程 图 可 得 出 截 面 的 弦 长 和 安 装 角 及 部 分 数 据 ， 见 表 2 。 2 翼型坐标转换 2 ． 1 转 换 思 路 将 翼 型 前 缘 为 原 点 、 翼 弦 方 向 为 X 轴 的 坐 标 系 下 的 上 下 弦 数 据 。 ， Y o ， 转 换 为 以 气 动 中 心 为 原 点 、 翼 弦 方 向 为 轴 的 坐 标 1 ， Y ， 经 过 旋 转 变 换 ， 求 得 叶 素 各 离 散 点 的 空 间 实 际 坐 标 ， Y， ， 通 过 空 间 实 际 坐 标 可 以 建 立 叶 片 三 维 模 型 。 注 图中 F o r 1 ～ 2 0指的是计算 2 0次。 机械制造5 4 卷 第 6 1 7 期 表 2叶片各截 面弦长和 安装角 距离叶根 弦长 安装 角 距 离叶根 弦长 安装角 位置 d m C ／ m 。 位 置 d m C ／ m 。 0 ． 0 o 1 ． 6 o o O．0 o 2 ．0 o 1 ．6 5 0 3 ．0 5 4 ． 5 O 2．4 o o 1 2 ． o o 5 ． 5 0 1 ．5 0 0 2 - 3 9 8 ． 0 0 2 ． 3 5 0 8．5 9 9．5 0 1 ．3 5 0 1 ． 8 7 1 1 ． 5 O 2．0 5 0 5．4 9 l 3 ．0 o 0．76 0 1 ． 8 5 1 6 ． 0 0 1 ．7 2 0 4．0 4 1 8 ．5 O 0．03 0 1 _ 3 0 1 7 ． 0 0 1 ．7 5 0 3 ．75 1 9．oo 1 ．78 0 3 ．76 2 1 ． 5 0 1 ．6 o o 2．6 9 2 4．5 O 1 ．65 0 2 ． 8 9 2 5 ． 5 0 1 ．2 5 0 1 ． 8 2 2 7． 5 O 1 ． 2 4 o 1 ． 7 2 2 8 ． 0 o 0．9 6 0 1 ．2 5 2 9．0 o 0．9 7 0 1 - 3 5 2 9 ． 5 0 0．0 6 0 1 ．o0 3 0． 5 O O ． 2 6 o 1 ． O 5 2． 2 坐 标 系 的 确 定 建 立 三 维 坐 标 系 ，设 叶 片 根 部 r O的 叶 素 平 面 为 XOY平 面 ， 叶 片 叶 展 方 向 为 Z轴 方 向 ，原 点 设 在 r 0 的 叶 素 平 面 的 气 动 中心 ， 叶 素 各 离 散 点 的 空 间 实 际 坐 标 为 ， Y， 。 2． 3叶 素 各 离 散 点 实 际 坐 标 的 确 定 1 通 过 P r o fi l i或 Na c a软 件 获 得 翼 型 数 据 。 ， y o 。 2 将 获 得 的翼 型 数 据 与 气 动 中心 为 原 点 的 坐 标 进 行 运 算 ，可 求 得 翼 型 以 气 动 中心 为 原 点 、翼 弦 为 轴 的二 维坐 标 ， Y 。 。通 常气 动 中心 至翼 型前 缘 的距 离 为 0 ． 2 5 ～ 0 ． 3 5 I n， 取 O ． 3 I T I 。 所 以 气 动 中 心 的 轴 坐 标 为 0 ． 3 C， Y轴 坐 标 为 0， 设 气 动 中 心 坐 标 为 ， ， Y s ， 则 x l ， Y 1 0 ， 一 x 3 ， y 3 1 0 3 求 解 叶 素 各 离 散 点 空 间 实 际 坐 标 I 1 c o s O - y l s i n O { 1 s i n 斗 ∞c o s 1 1 I L r 经 变 换 得 c。 s[ 一t a n ] 2 2 s i n [ 一t a n ] 2 通 过 E x c e l软 件 ， 完 成 各 叶 素 上 所 有 离 散 点 空 间 实 际 坐 标 的 计 算 ， 部 分 数 据 见 表 3 。 3叶片的三维实体建模 根 据 上 述 过 程 获 得 各 叶 素 空 间 实 际 坐 标 ， Y， ， 进 而 可 通 过 CAD ／ C AM 软 件 绘 制 叶 片 ， 采 用 UG 软 件 来 完 成 对 叶 片 的 三 维 实 体 建 模 。 具 体 建 模 步 骤 如 下 。 1 绘 制 各 叶 素 轮 廓 线 。 把 E x c e l中 轮 廓 线 的 坐 标 数 据 即 表 3数 据 存 为 t x t 文 件 ， 编 辑 后 改 为 i b l 文 件 。 2 0 1 6 ／ 1 f 1 7 fl 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 将 文 件 导 入UG 软 件 中 ． 然 后 利 用 UG 软 件 绘 制 叶 素 的 上 下 弦 ， 得 各 叶 素 轮 廓 线 如 图 2所 示 。 2 生 成 翼 型 部 分 的 叶 片 面 ， 利 用 曲 面 混 介 命 令 ． 实 现 各 叶 素 轮 廓 线 形 成 曲 面 。 3 结 合 叶 柄 数 据 ． 生 成 整 体 叶 片 ， 最 终 的 叶 片 三 维 实 体 模 型 如 图 3所 示 。 4结论 以 1 ． 5 MW 风 机 为 例 ．对 风 机 叶 片 进 行 了 气 动 外 形 设 计 ， 在 此 基 础 上 ， 通 过 点 的 坐 标 转 换 来 确 定 各 叶 素 所 有 离 散 点 的 空 间 实 际 坐 标 。 最 后 ． 利 用 UG 软 件 对 风 机 叶 片 进 行 三 维 实 体 建 模 ， 同 时 能 便 于 对 风 机 叶 片 作 进 一 步 分 析 ， 如 叶 片 的 气 动 性 能 计 算 、 结 构 分 析 等 。 参 考 文 献 [ 1 ] 叶杭冶． 风力发 电机组的控制技术 [ M] ． 北京 机械工业出版 社 ． 2 o 0 2 ． [ 2 ] 王承煦 ， 张源． 风力发 电[ M] ． 北京 中国电力出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ] 宫靖 远． 风 电场工 程技术手册 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 O O4 - 十一 十- “ - - 表 3第 6叶素断面各点的坐标 I Y J y 21 6．4 5 0 0．0 0 O 21 6 ． 3 4 3 6．7 9 9 3 5 o 0 l 9 9 ． 2 8 0 5．2 4 2 1 9 9 ． 0 l 7 1 1 ．4 9 9 3 5 0 0 1 5 9 ． 7 3 0 1 7．3 9 6 1 5 9 ． 1 0 5 2 2．3 9 5 3 5 0 0 1 2 3 ． 5 8 9 2 8 ． 9 01 1 2 2 ．62 1 3 2 ． 7 6 9 3 5 0 o 8 2 ． 3 4 3 4 0 ． 9 7 3 8 1 ． 1 0 6 4 3 ． 5 4 2 3 5 o 0 3 9 ． O 6 1 5 0 ． 5 8 3 37 ．4 5 3 51 ． 7 8 5 3 5 o o - 3 ． 5 7 1 5 2 ． 2 9 1 -5 ．21 0 5 2 ． 1 5 3 3 5 0 0 42 ． 5 5 4 45 ．4 7 3 - 4 3．9 61 44 ． 1 1 4 3 5 00 - 75 ． 2 1 3 3 4．0 0 4 - 7 6．2 6 2 3 1 ． 6 2 4 3 5 o o - 9 9．3 8 0 2 0．3 6 8 - 9 9．9 71 1 7 ． 2 3 7 3 5 00 一l 1 3．3 5 O 7．4 0 9 1 l 3 ． 5 2 7 3 ． 8 4 5 3 5 oo 一 1 1 6． 1 9 4 1 ．3 6 7 1 1 6 ． 0 9 3 -5 ．O1 6 3 5 oo 一1 l 0 ． 8 7 6 - 6_3 31 1 1 O ． 6 2 2 - 9．81 l 3 5 0 0 - 9 9 ． 3 8 0 1 1 ． 21 4 - 9 8 ． 9 7 9 1 4．3 3 0 3 5 o0 [ 4 ] 刘万琨 、 张志英 、 李银风 ， 等． 风能 与风力发 电技 术 [ M] ． 北 京 化学工业 出版社 ． 2 0 o 7 ． [ 5 ] T o n y B u r t o n ． 风能技术[ M] ． 武 鑫译． 北京 科学 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 6 ] 王军 ， 周 丙超． 基 于 M A T L A B的小型风力 机叶片 设计 [ J ] ． 水电能源科学 ， 2 0 o 7 ． 2 5 5 1 4 2 1 4 4 ． [ 7 ] 陈家权 ， 杨新彦． 风力机 叶片立体 图的设计 [ J ] ． 机 电工 程 ， 2 0 0 6 ， 2 3 4 3 7 4 0 ． [ 8 ] 汪雪英 ， 蔡新娟． 计算机优化在 机械设计 中应 用[ J ] ． 精密制 造与 自动化 ， 2 0 0 7 2 4 4 4 7 ． 上 接 第 1 5 页 表 5 应力结果与评定 编 辑 平 平 一 -一 一一 ● 一- - 一 - 区域 路 径 材料 载荷工况与应力类型 计算应力／ MP a 许用应力／ MP a 应力 比 正常 薄膜应 力 5 9 ． 3 3 l 1 1 ． o 0 0 ． 5 3 工况 薄膜加 弯曲应力 6 8 ． 5 6 1 6 6 ． 5 0 0 ．4 1 f 1 1 1 6 异常 薄膜应力 5 9 -3 5 l 2 2 ． 1 0 0 ．4 9 连续区域 0 6 Cr l 8 Ni 1 1 T i 工况 薄膜加 弯曲应 力 6 8 ． 5 8 1 8 3 ． 1 5 0 ． 3 7 事故 薄膜应力 5 9 36 2 2 2 ．o o 0 ．2 7 工况 薄膜加弯曲应 力 6 8 ． 5 9 2 6 6 ．4 0 0 ． 2 6 正常 薄膜应力 4 1 ． 3 3 1 1 1 ．0 0 0 ． 3 7 工况 薄膜加弯 曲应力 8 8 ． 4 2 l 6 6 ．5 0 0 ．5 3 异常 薄膜应力 4 1 ． 3 4 1 2 2 ． 1 0 0 ．3 4 不连续 区域 h 1 1 2 0 0 6 C r l 8 Ni l 1 工况 薄膜加 弯曲应力 9 0 ． 2 5 1 8 3 ． 1 5 0 ．4 9 事故 薄膜应力 4 1 _ 3 8 2 2 2 ．O H0 0 ． 1 9 工况 薄 膜加 弯曲应力 9 2 ． 6 1 2 6 6 ．4 0 O _ 3 5 应 的应 力 进 行 组 合 和 评 定 。 评 定 结 果 表 明 ， 气 体 过 滤 器 在 各 种 工 况 下 的强 度 满 足 RC CM 规 范 的 要 求 。 参 考 文 献 [ 1 ] G B 5 0 2 6 7 1 9 9 7 ， 核电厂抗震设计规范 [ S ] ． [ 2 ] R C C M 2 0 0 7 ，法 国核电厂设计 和建 造规则压水堆核岛机 械设备设计和建造规则 [ S ] ． II 1 8 I 2 0 1 6 ／ 1 [ 3 ] 王新 敏 ，李 义强 ，许宏 伟． A N S Y S结 构分 析单元 与应用 [ M] ． 北京 人 民交通出版社 ， 2 0 1 1 ． [ 4 ] 盛选禹 ， 雒 晓卫 ， 傅激扬． 反应堆 主泵抗震强度 的三维实体 模型计算[ J ] ． 核动力工程 ， 2 0 0 5 ， 2 6 5 4 7 1 4 7 4 ． △ 编 辑 小 前 机械制造5 4卷 第 6 1 7 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m