大型风机叶片气动外形参数计算及三维建模方法.doc

大型风机叶片气动外形参数计算及三维建模方法
靳交通1，彭超义2，潘利剑1，曾竟成2
（1.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲，412007；2.国防科学技术大学航天与材料工程学院，湖南长沙，410073）
摘要：结合工程实践，基于Schmitz理论计算出风机叶片气动外形参数并利用三维坐标变换原理计算截面翼型空间分布位置，在此基础上，以大型三维设计软件UG为工作平台建立了叶片三维气动外形，并完全满足五轴数控加工制造要求，从而验证了该方法的可靠性。这一方法简化了复杂曲面的设计过程，提高了工作效率，为后续的数控加工、模具制作、结构设计及计算奠定了基础。
关键词：风机叶片，气动外形，参数计算，三维建模

TheStudyoftheShapeParametersand3DModelingforLarge-ScaleWindTurbineBlade
JINJiao-tong1,PENGChao-yi2,PANLi-jian1,ZENGJing-cheng2
(1.ZhuzhouTimesNewMaterialsTechnologyCO.,LTD,Zhuzhou412007,China；2.CollegeofAerospaceandMaterialEngineering，NUDT，Changsha410073,China)
Abstract:BasedonSchmitztheoryandactualproject,calculatedbladeshapeparameters.Andcalculatedspacepositionofbladesectionairfoilusing3Dcoordinateconversiontheory.Onthebasisofthat.achievedthe3Dmodelingofbladeshapeontheworkingplatformofthelarge-scale3DsoftwareUG.Thiscalculationandmodelingmethodfullymeetthefive-axisCNCmachiningmanufacturingrequirements.Thushasconfirmedthatreliability.Thatmethodsimplifiedthecomplexsurfacedesignprocess,andimprovedtheworkefficiency.Andlaidthefoundationforthefollowingmolding,structuredesignandcalculation.
KeyWords:Windturbineblade,Aerodynamicshape,Parametercalculation,3DModeling

1引言
大型风机叶片是风机设备中将风能转化为机械能的关键部件[1]。叶片设计分为气动设计和结构设计[2]。气动设计涉及风机叶轮直径、叶片数、叶片各剖面弦长、厚度、扭角分布及剖面翼型的选取。在给出风机叶片的尖速比和气动参数之后，利用Betz理论或Schmitz理论就可以设计出所需要的叶片气动外形。
目前，针对叶片外形参数计算的理论主要有Betz理论、Schmitz理论等。Betz理论仅考虑了轴向流出损失，而Schmitz理论除此之外还考虑了下游由于风机的旋转尾迹而产生的漩涡损失，该理论忽略了叶型损失和气流绕叶尖的损失。Schmitz理论计算方法与物理背景联系紧密，故简单明了。
本论文以Schmitz理论为基础，在给定设计叶尖速度比、剖面翼型和攻角的情况下，结合翼型理论计算了叶片主要的外形参数；再利用三维坐标变换原理求解出叶片空间剖面翼型的实际位置，最后以大型三维设计软件UG为工作平台，实现了叶片外形的三维建模。
2叶片气动外形参数计算
借助Schmitz理论，可较容易地描述风机工作原理。当给出了风机叶片的设计尖速比和所用翼型的气动参数之后，通过Schmitz理论可以描述叶片截面弦长、安装角与截面在叶片展向所处位置的关系。Schmitz理论考虑了风旋转产生的周向速度。周向速度在叶轮之前为0，叶轮之后为。气流流过翼型后，要发生扭转，如图1所示。

图1.叶轮上游、叶轮处和叶轮下游速度三角形[3]
如图1所示，叶轮上游的相对风速为，叶轮下游的相对风速为。通过叶轮后，相对速度大小不变，只是方向改变，即。
根据动量定理，作用在叶轮上的升力为

其中为流过环元段的流量：

为迎风角，为到叶轮旋转中心的距离。
气流产生的周向力为

则，风机微元环上的功率为

其中，为风机叶片数量，为风机转速，为扭矩。
根据Schmitz理论，结合动量定理可求得微元环上的功率为

由翼型理论可得叶轮微元环上的功率为

将此功率与Schmitz功率比较得