风力机叶片设计.pdf

第29卷第9期太阳能学报V01．29．No．9
2008年9月ACTAENERGIAESOLARISSINICASep．，2008

文章编号：0254-oo96(2008)09-1177．o4

风力机叶片外形设计及三维实体建模研究

张礼达，任腊春，陈荣盛，毛金铎
(西华大学能源与环境学院，成都610039)

摘要：基于贝茨理论，结合具体工程实际，对某中型风力机叶片进行外形设计。并在此基础上提出了风力机叶
片的三维建模方法，即利用点的坐标变换理论来计算叶片各断面翼型的空间实际坐标，然后运用UG强大的三维曲
面建模功能来建立叶片复杂曲面。该文提出的方法减少了风力机叶片等复杂曲面的建模工作量；叶片实体模型的
建立也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；外形设计；曲面建模；UG
中图分类号：TK93。TP391．7文献标识码：A

数日，叶片剖面翼型，各翼型的弦长和安装角。
O引吾
本文对某中型风力机叶片进行外形设计，其给定的
风力机叶片是风力机中最基础和最关键的部参数为：风力机的输出功率P=40kW，设计风速=
件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证11．5m／s，风能利用系数C。=O．42，风力机的机电效
风力发电机组正常稳定运行的决定因素。因此，风率】7，·=O．92(为传动效率，：为电效率)。
轮叶片的设计在风力发电机组设计中占有不可估量1．2确定风轮直径D·
的地位L1刮。风力机叶片设计分为气动外形设计和采用下式计算风轮直径：
结构设计，气动外形设计的任务是选择合适的翼型P：O．5pV3AC
pI2
并计算叶片的弦长、安装角以及厚度分布等来确定式中，p——空气密度，取1．25kg／m3；A——风轮的扫
较好的叶片外表面，从而达到以下目的：对于特定的掠面积，A=7tD／4。经计算可得D=11．8m。
风速分布，可以获得最大风能；对于失速风力机能够1．3确定叶片数及叶尖速比
起到限制最大功率输出的作用]。目前气动外形设风力机的叶片数与其用途有关，风力发电用的
计根据不同的理论及其修正理论有许多设计计算方风力机叶片数一般为2～3片，此外叶片数还与叶尖
法，文献[5～7]用不同的方法对风力机叶片进行了速比有一定的匹配关系，见表1。由于三叶片风力
设计和分析；本文则基于贝茨理论，采用较为简化的机的运行和功率输出较平稳，一般中小型风力机都
设计方法对某中型风力机叶片进行了外形设计，在选用三叶片，根据实际需要，本文选定B=3，=6。
此之后，运用点的坐标变换理论[8将翼型的二维剖表1叶尖速比与叶片数匹配[’
面坐标转换成对应安装角处的三维空间实际坐标，Table1Matchingbetweentip-speedratioandbladenumber
这一过程通过通用软件EXCEL来实现；最后应用
UG对设计的叶片进行参数化建模，并给出了扭曲叶
片的三维实体模型。

1风力机叶片的外形设计计算1．4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
1．1叶片设计的总体参数启动及接受风能的效率。一台性能良好的风力机应当
叶片外形设计的主要参数有：风轮直径D，叶片尽量增加升力而减小阻力，使升阻比尽量趋于最大值，

收稿日期：2007-04-22
基金项目：四川省重点学科基金项目(SZIM12)；四川省科技厅应用基础研究项目(0424176)
通讯作者：张礼达(1954一)，男，教授，主要从事流体机械设计及可靠性研究。[e-mail]!I1
1178太阳能学报29卷

从而增加风力机的风能利用系数。常用的翼型有NA．式中，O／0——零升力时的攻角；K．——升力曲线的平
CA44XX系列和NACAZ30XX系列等航空翼型；专用翼型
均斜率，Kl=；口。——最大升阻比时对应的攻
如SERI系列、NREL系列、s杠A系列以及FFA—W系列ul一“0
等也逐渐得到研究l0，“]。Tanglerl】发现一些传统翼型角；R——叶片的展弦比，=R=丽5．9=14
．355，
(如NACA230XX系列)对叶片表面粗糙度十分敏感，既
其中——叶片的平均弦长。
当叶片表面变脏时，翼型的最大升力系数急剧下降。
由于沿叶片展向采用了不同翼型，校正后的攻
NACA63XXX系列能较大程度上减少粗糙度的影响，因
角应分别计算(见表2)。
而常用来替代NACA230XX使用。FX-S翼型系列在较
表2翼型断面校正后的攻角
高的攻角时升力系数很稳定，能较好的满足叶尖附近区
Table2Correctedattackangelofairfoilsection
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，并且能实现向叶根处的圆形断
面光滑过渡；叶尖应选用相对较薄的