复合新翼型风力机叶片的气动设计及建模.pdf

机械 设计 与 制造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 3 期 2 0 1 2年 3月 文章编号 1 0 0 1 一 ． 3 9 9 7 2 0 1 2 0 3 0 0 9 0 一 - 0 3 复合新翼型风力机叶片的气动设计及建模 半 刘雄飞 汪建文 1 , 2 代元军 1 , 3 张立茹 1 ,2 车 飞 ’ 内蒙古工业大学 能源动力学院， 呼和浩特 0 1 0 0 5 1 中国矿业大学 银川学院， 银川 7 5 0 0 1 1 。 新疆工业高等专科学校， 乌鲁木齐 8 3 0 0 9 1 Ae r o d y n a mi c d e s i g n a n d mo d e l i n g o f wi n d t u r b i n e wi t h c omp o u n d - s p e c i f i c a i r f oi l s L I U X i o n g - ．- f e i ， 一 ， WA N G J i a n -一 w e n ， 一 ， D A I Y u a n - j u n ， Z H AN G L i n J ． 一 ， C H E F e i C o l l e g e o f E n e r g y a n d P o w e r E n g i n e e r i n g I n n e r Mo n g o l i a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， H o h h o t 0 1 0 0 5 1 ， C h i n a “C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y Y i n c h u a n C o l l e g e ， Y i n c h u a n 7 5 0 0 1 1 ， C h i n a 3 X i n j i a n g P l o y t e c h n i c a l C o l l e g e ， U mmq i 8 3 0 0 9 1 ， C h i n a 【 摘要】 基于Wil s o n 法， 用美国可再生能源实验室开发的 s系列新翼型 8 3 3 、 8 3 4 、 8 3 5 和三者 的组合翼型来设计叶片，不同翼型连接处采用 MA T L A B程序语言的样条差值和曲线拟合法进行过渡 修正， 以满足气动连续性要求。在叶片设计基础上， 分别计算了单翼型和复合翼型叶片的气动性能； 利 用有限元分析软件A N S Y S建立了风轮的三维实体模型。 结果表明 复合翼型叶片在较宽尖速比范围内 比其它几种单翼型叶片的功率系数大， 利用A N S Y S 软件建立的风轮实体三维模型， 为风轮的结构动态 及载荷等问题的进一步分析提供 了技术基础。 关键词 小型风力机 ； 叶片设计 ； 复合新翼型 【 A b s t r a c t 】 A n aer o n a m ic s 咖 -厂 0 r b l a d e s i s d e v e l o p e d b y a p p ly i n g Wi ls o n m e th o d ， b a s e d o n MA T L A B p r o g r a mm i n g l g u a g e ． T h r e e d if f e r e n t S airf o a 8 3 3 ， 8 3 4 ， 8 3 5 d e v e l o p e d b y t h e N R E L a r e s e - l e c t e d ， I n a i j u n c t i o n ， S p l i n e I n t e r p o l a t i o n a n d c u r v e - fit t i m e t h o d a r e u s e d t o t r a mi t i o n m o d if y o r - d e r t o m e e t t h e a e r o d y ln a m i c c o n t i n u i t y ． B ase d o n t h e b l ade d e s i g ， t h e a e r o d y n a mi c p e rf o r m a n c e o f t h e b l ade s w i t h c o m p o u n d - s p e c ific a i rf o i l s a n d s i n g l e a i , rf o i l s is c a l c u l ate d r e s p e c t i v e f y ； n d a t h r e e 一 d i m e n s i o n a l s o l i d mo d e l of w i n d t u r b i n e a n d b l ade s is e s t a b l i s h e d u s i n g A N S Y S S W f li e ． The r e s u l t s s h o w e that t h e p o w e r c o e f fic i e n t ofb l ade s w h h c o m p o u n d - s p e c ific a i r 厂 0 i l s b i g g e r t h a n t h e s i n g l e o n e a w i d e r ang e Q 厂 s p e e d r at i o ， The t h r e e - d i me n s i o n a l s o l i d mo d e l o f w i n d t u r b i n e e s t abl i s h e d u s i n g A N S Y S S w a r e p r o v i d e s t e c h n i c a l f o u n d at i o n f o r f u r t h e r a n a l y s i s o fd y n am i c s t r u c t u r e and l o ad ofw i n d t u r b i n e ．． Ke y wo r d s S ma l l wi n d t u r b i n e ； Bl a d e d e s i g n； Co mp o u n d - s p e c i fi c a i r f o il s 中图分类号 T H1 6 ， T K 8 文献标识码 A 1前言 风力机风轮是风能转换的重要部件，因而风轮叶片气动外 形的优化设计技术在风力机设计制造中占有相当重要的地位ll 1 。 目前，在国内对于小型风力机的设计，普遍采用 G l a u e r t 方法和 Wi l s o n方法 。但是， G l a u e r t 方法忽略了翼型阻力和叶稍损失的 影响， Wi l s o n 方法虽然考虑了翼型阻力和叶稍损失的影响，但没 有考虑实际风速的概率分布， 因而并不能使所设计风力机的年能 量输出最大目 。对于小型风力机而言， Wil s o n法虽然存在缺点， 但 目前仍被普遍采用。 许多国内学者还在其基础上， 进行方法改进， 以提高功率， 一些科研人员 使用 Wil s o n法进行叶片气动设计， 优化弦长， 并提出安装角可不需要优化的思想， 以功率系数为目 标函数， 设计出了高效率的风轮。 一些科研人员目 根据水平轴风力 机转子的涡流气动模型，在优化弦长时与实际功率联系起来， 以 保证叶轮实度为最小， 对叶片进行双重优化， 提高翼型对工况变 化的适应性 。 将从翼型的角度人手， 来提高风轮的输出效率。目前大型风 力机普遍采用多种组合翼型来设计叶片， 而对于直径较小的小型 风力机是否适合布置多种翼型、 选取什么样的翼型、 怎么布置、 各 种翼型间如何过渡针对上述问题， 对翼型的选取进行了分析研 究， 以直径为 1 ．4 m的小型风力机为设计对象， 通过综合筛选 ， 选 取美国可再生能源实验室 S系列翼型为设计翼型设计了叶片， 在 此基础上分别计算了采用三种单翼型和复合翼型叶片的气动性 能， 在保证良好气动性能的前提下， 基于 MA T L A B程序语言及坐 标变换的思想 ， 得到个叶片的实际空间三维离散坐标， 将其以命 令流的形式导入到有限元分析软件 A N S Y S中，建立了叶片及风 轮的三维实体模型， 为风轮的结构动态及载荷等进一步分析提供 了技术指导。 2风力机叶片设计 风力机叶片的气动设计主要是在保证叶片强度的条件下 ， 从风中获得最佳功率。此过程需选择合适的翼型， 设计叶片各截 女来稿 日 期 2 0 1 1 - - 0 5 1 3 ★ 基金项目 内蒙古自 然科学基金重点项目 2 0 0 8 0 4 0 4 Z D 1 5 ， 国家自然科学基金 5 0 9 7 6 0 4 7 第 3 期 刘雄飞等 复合新翼型风力机叶片的气动设计及建模 9 1 面的弦长、 厚度、 和扭角的分布。 2 ． 1叶片的设计需求 所设计的风轮为定桨风力机， 其给定的参数为 叶片数 Ⅳ 3 ； 设计风速 V 1 0 m ／ s ； 额定输出功率 P 3 O O W； 设计尖速比 X o 5 ．5 ； 额定转速 n 7 5 0 r ／ m i n ； 风能利用系数 -- - 0 ． 3 8 ； 风力机的机电 效率 * 0 2 ---- 0 ． 7 5 式中 厂传动效率； 叼 广 电效率；空气密度p 1 ．2 2 5 k m 。经计算D 1 ．4 m。 2 - 2翼型的选择 早期人们只注重叶片的扭曲和外形的设计，而忽略了翼型 的选择 ， 结果风力机在实际运行时达不到预期的效果。 对于小型风力机， 长期运行于低雷诺数状态 一般在 2 x 1 0 s 附近 ， 不适合选用传统的航空翼型， 因为采用传统翼型的风力机 运行在低雷诺数时， 易发生泡式分离， 且叶片前缘对叶片表面粗 糙度的变化比较敏感， 升阻比极度恶化 。 所以把着眼点放在了风 力机专用翼型的选择上。 新翼型的发展主要形成了美国的N R E L s系列、 丹麦的 R I s 系列、 瑞典的F F A W 系列和荷兰的D U系 列翼型等。美国可再生能源实验室 N R E L 从 1 9 8 4 年到 2 0 0 2年 针对失速型、 变桨距和变速不同形式风机叶片的要求， 设计了大 约 3 5种 S系列翼型17 ] 。风力机叶片在实际运行时， 叶根处一般选 用相对较厚的翼型承受叶片运行时的应力， 并且能实现向叶根处 的圆形面光滑过渡； 叶尖应选用相对较薄的翼型以满足叶片气动 性能要求 。结合以上特点， 通过对所设计风力机的直径、 实际运 行雷诺数及气动性能的综合分析， 设计的复合型叶片， 如表 1 所 示。沿叶片展长方向， 叶根区域布置 8 3 5 翼型， 占叶片长度的 2 0 ％； 中间工作区布置 8 3 3 ， 占叶片长度的 3 5 ％； 叶尖附近布置 8 3 4 翼型， 占叶片长度的2 0 ％； 中间两个过渡区， 各 占5 ％， 根部 要保证其强度及轮毂的顺利连接， l ， 3圆盘结构被选用 ， 占叶片长 度的 1 5 ％。 表 1复合翼型结构组成及气动特性 2 ． 3复合翼型叶片设计 2 ． 3 ． 1数学模型 基于动量一 叶素理论吸 Wi l s o n法， 数学模型的核心公式如 下 8 。 r a 1 a 1 吨F 6 1 b ‘ 2 s 皇 壁 2 3 1 吨 c o s 0 --- - ＼ 、 4 式中， o ， b 轴向和周向干涉因子； A 风轮半径 r 处的尖速比； 卜 叶尖损失因子 ； r 某叶素截面到风轮中心的距离， m； 叶片数 ； 叶素扭角， 。 ； 叶素人流角， 。 ； 叶 素攻角， 。 ； R 一风轮半径， m； G 一叶素弦长， m； c 厂 叶素升 力系数； S 一中间变量。 利用上面的数学模型通过迭代的思想先求得两个干涉因子 a ． b ， 然后代入到辅助公式中求出弦长 c和扭角 0 。 2 ． 3 ． 2设计程序流程说明 以Wi l s o n 数学模型为设计依据， 采用模块化编程思想， 编写 了基于 M A T L A B的叶片设计应用程序， 确立主程序 m a i n ． m， 然后 调用各个子函数完成各个功能模块的设计计算， 输出结果， 最后 对设计结果进行修正并绘制图形。 设计程序流程 图略 。在主程 序的基础上， 需要调用求取干涉因子 a , b的优化工具箱和和三个 最佳攻角函数 8 3 5 R e 8 3 3 R e 8 3 4 R e ， 程序自动截取各种 翼型下的弦长和扭角进行整合， 最后进行整体修正， 输出结果通 过 f p r i n t 函数直接调入记事本， 对于单翼型的设计只需控制单变 量输出即可。 2 ． 3 _ 3设 计结果输 出 复合翼型的弦长和扭角的修正曲线 图略 。在 鼎 等于0 ．3 5 和 0 4之间为翼型的第一过渡段， 在 0 ．7 5 和 0 ． 8 之间为翼型的第二 过渡段。在两个过渡段内修正前后扭角的变化微小， 主要是因为三 种翼型在设计点攻角的变化比较小。 而在两个过渡段内修正前后的 弦长变化较大， 这主要是因为在设计点三种翼型的升力系数和雷诺 数均不同， 较大的偏差是两者共同作用的结果。 3不同翼型叶片的气动性能 性能计算也是基于Wi l s o n 设计法， 在叶片的设计过程中， 考 虑到实际和工艺的需求， 叶片的弦长和扭角已进行过修正， 风轮 在实际运行已经偏离了设计点 ， 需重新确定风力机的性能， 核心 问题是重新确定各叶素面的干涉因子 a 和 b 。 3 ． 1结果输出 两干涉因子的变化曲线， 如图 1 所示。 图1两干涉因子的 变化曲线 3 ． 2结果分析 单复翼型功率系数曲线图， 如图 2 所示。 当尖速比A在 3和 4 之间时， 8 3 4 翼型的功率系数稍大于其它三者， 这主要是因为 机械 设计 与 制造 No ． 3 Ma r ． 2 01 2 在该尖速比范围内，气动损失较小，相应的叶稍损失也很小， 又 8 3 4翼型是这些翼型中相对厚度最小的一个， 升力系数较大， 功 率系数相应较大，所以 8 3 4 翼型布置在叶尖附近。当尖速比A 在 4和 5 ．5 设计尖速比 之间时， 复合翼型的功率系数远大于其 它几种单翼型的功率系数， 当尖速比在 5 ．5 ～ 1 0 或者大于 1 O 之 间， 复合翼型的功率系数依然大于其它几种单翼型， 在几种单翼 型之间， 8 3 3 翼型的功率系数在该范围内相对最大。 图 2单复翼型功率系数曲线 图 从总体上来看， 复合翼型在较宽的尖速比范围内比其它几 种单翼型的功率系数大 ，尤其在设计尖速比 A等于 5 -5附近 ， 8 3 5翼型在整个尖速比范围内， 功率曲线较窄， 峰值也较小， 主 要因为该翼型的相对厚度较大， 升力系数相对较低 ， 所以该翼型 布置在叶片的根部附近， 主要用于满足结构强度的要求。 8 3 3 翼 型相对厚度居中， 整个尖速比范围内功率曲线比较平缓， 布置在 叶片中部， 提高叶片的做功能力。 4叶片及风轮的三维实体建模 4 ． 1叶素面空间实际坐标的确定 建立空间三维坐标系， 以叶根处 r 0 的叶素面作为XO Y坐 标平面， 沿着叶片展长方向作为 z轴方向， 原点 y o 定在叶根 处 r O 的叶素面翼型的前缘点， 各叶素面空间实际的离散坐标 设为 ， y ， z o翼型数据库中的翼型坐标设为 Y ， 叶素面扭转 前的实际离散坐标设为 y 2 ， 坐标变换后为 Y ， 修正后的 弦长和扭角分别为 c和， 则确定实际离散坐标的数学模型如下 ， y 2 C x ， Y t 5 x 3 , y 3 2 ， Y 2 一 0 ， Y 0 6 则各叶素面扭转后的实际空问离散坐标为 f 3 c o s 0 - y 3 s i n 0 { 3s in O y 3c 。 s 0 7 【 r 翼型坐标计算结果， 角标“ 上” 表示位于 上方翼型坐标点， 角标“ 下” 表示位于 下方翼型坐标点， 如图 2 所示。 4 ． 2三维实体模型的建立 1 将各叶素面的翼型坐标以命令流的形式导入到A N S Y S 有限元建模和分析软件中。 2 按照点线一面体的顺序， 结合 扭角参数， 依次生成叶片的三维模型。 3 结合轮毂、 轴的尺寸及 实际安装情况， 建立风轮的三维实体模型， 如图3 所示。 表 2翼型坐标 图 3风轮的三维造型图 5结论 基于Wi l s o n设计思想， 采用 M A T L A B程序语言编制了复合 新翼型的叶片设计程序， 不同翼型连接处采用了样条插值和曲线 拟合的处理技术， 在叶片设计基础上， 分别计算了单翼型和复合 翼型叶片的气动性能， 并进行了对比分析 ， 证明了各翼型组合及 站位的可行性 ， 得出 复合翼型叶片在较宽尖速比范围内比其它 几种单翼型叶片的功率系数大。 最后， 利用 A N S Y S软件建立了风 轮实体三维模型， 为风轮的结构动态、 载荷、 应力应变分析等问题 提供参考。 参考文献 [ 1 ] D e t N o r s k e V e r i t a s a n d R i s q N a t i o n a l L a b o r a t o r y ． G u i d e l i n e s f o r d e s i g n o f w i n d T u r b i n e s [ M] ．No r w a y D e t N o k e V e r i t a s a n d Ri s q N a t i o n a l L a b o r a - t o r y ，2 0 0 2． [ 2 ] Wi l s o n R E ， L i s s a m a n P B S ， Wa l k e r S N ．A e r o d y n a m i c p e rf o r m a n c e o f w i n d t u r b i n e s ． Re p o r t No ． NS F ／ RA- 7 6 0 2 2 8， NT I S， C h a p t e r s I - I I I ， Or e g o n S t a t e U n i v [ Z ] ， 1 9 7 6 ． [ 3 ] 刘雄 ， 陈严， 叶枝全． 风力机桨叶总体优化设计的复合形法[ n太阳能 学报 ， 2 0 0 1 ， 2 2 1 5 7 1 6 1 ． [ 4 ] 张维智， 李方洲．采用修改的Wi l s o n 方法对风力机叶片进行优化设计 [ c ] ． 全国第一届风能技术应用年会会议论文集， 乌鲁木齐， 2 0 0 4 2 0 2 7 ． [ 5 ] 包耳， 邵晓荣 ， 刘德庸． 风力机叶片设计的新方法． 机械设计 ， 2 0 0 5 ， 2 2 2 2 4 2 6 ． [ 6 ] V a n R o o ij R P J O M， T i m m e r W A ． R o u g h n e s s s e n s i t i v i t y c o n s i d e r a t i o n s f o r t h i c k r o t o r b l a d e a i rf o i l s l Rj ．U S A A I A A 一 2 0 0 3 - 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