风力机参数计算翼型

[摘 要]在已知风机载荷和周边环境风速的情况下,使用一维动量理论及叶素动量理论对风轮半径、旋转角速度以及叶尖速比等参数进行了选取了计算,并使用软件MATLAB对叶片不同叶素截面针对扭角和弦长进行了计算,最终选取翼型得出了翼型表面.

[关 键 词]叶片；翼型；扭角

中图分类号：TK83文献标识码：A文章编号：1009-914X（2014）44-0345-01

随着风能利用技术的不断发展,大功率MW级风机已经进入了实验和应用阶段,叶片尺寸的不断增大增长,对叶片受力提出了更高的要求,为了使叶片沿轴线方向的受力尽量保持稳定,在叶片设计中,沿轴线方向其翼型及扭角需要不断变化,这种设计使得风力叶片外形非常复杂,其翼型轮廓也很难找到对应的数学方程来进行表述.因此在已知风机功率和当地平均风速的情况下,如何正确处理叶片参数以及计算翼型是叶片设计的必要步骤.

一、叶片参数选取及计算

本文参照淄博卡特风力发电机有限公司的“CAT-20W”叶片技术指标,检测设风机标称功率为20KW,平均风速为10m/s,针对风能吸收效率Cp、叶片数B、风轮半径R、及叶尖速比λ0等各项参数,使用相应的叶片设计理论来进行选取和计算.

1风能吸收效率CP

在风力叶片中,影响风机风能吸收的通常有两个参数：前端叶片处的机械效率Cmech、后端电机处的电气功率Celec.前者,在现代三桨叶风轮轮毂处测出的最优值范围是0.52～0.55；而后者的电气功率一般为0.46～0.48[1].由贝茨理论的定义可得：风能吸收效率CP为单位时间内,风轮吸收功率与风能总功率的比值,有公式为：

该值即为风力机标称功率,一般取值范围是0.25～0.45,这里本文Cp取值0.39.

2风轮半径R

计算风轮半径R,则通过空气速度求得起单位质量内所携带的风能,并且计算出风轮所需要吸收的动能总量,求得风轮上通过的空气总体积,反推出风轮半径.由于公式推导中均为单位时间内,因此动能转化成功率计算.

风能总功率有公式[2]为：

3叶尖速比λ

叶尖速比的定义为：叶片上的叶尖速度与来流风速的比值.作为叶片设计中的重要参数,叶尖速比的大小通常对应着风能吸收率的大小,变桨距风机关系图4叶片数B

由于λ取值为4～7,因此属于高速型风机,对应叶片数B应取值2～3,现在大部分高速风机均使用3叶片系统,因此B取值为3.

由上述参数,得到叶片参数汇总表如下：

表格1叶片基本参数表

二、翼型设计

由叶素理论可知,翼型的升阻比大小直接影响风轮的风能利用系数CP,在翼型设计以及后续翼型优化中,设计目标通常以风能利用系数CP最大化作为评判标准,同时考虑光滑与粗糙的工况,使翼型升阻比最大化,有公式[4]下：

式中：、分别为光滑与粗糙下的权值系数,,且；CL/CD以及C`L/C`D分别为光滑与粗糙下的升阻比.

依据BEM理论,再通过MATLAB的矩阵和组数计算,导出了15个叶素截面上的弦长以及扭角系数,由数据画出叶片扭角分布图如图1：

根据上述叶片设计尺寸,以及扭角分布,选择翼型SG6050进行计算,其设计参数在软件Profili数据库中可以直接导出[3],其操作步骤为：Airfoilanagement―SG6050―Export―Exportselectedairfoiltoa.TXTfile.即可导出翼型尺寸如图2：

三、总结

本文主要阐述了,在风机功率额定以及周边环境风速确定的情况下,如何正确取用各类参数,以及对叶片的初始外形以及翼型进行计算与确定,在确定了各项参数后,使用MATLAB对对应弦长处的扭角尺寸进行了计算.