风力机叶轮设计及叶片空气动力学仿真分析.doc

风力机叶轮设计与叶片空气动力学仿真分析 一、概述 作用在叶轮上的空气动力是风力机最主要的动力来源，也是造成各个零部件的主要的载荷来源。要计算风力发电机组的载荷就必须先计算出空气作用在叶片上的作用力。除了气动载荷，风力机叶片在风机工作中受到的作用力主要还受到惯性力，特别应该考虑重力、离心力和陀螺力等。 风力机的叶片设计分气动设计和结构设计两大部分，气动性能计算为气动设计结果提供评价和反馈，并为叶片的结构设计提供气动载荷等原始数据。气动性能计算的准确性，直接影响叶片的气动性能和结构安全，从而影响风力机的运行效率和运行安全。 二、风力机叶片几何参数 1．风力机叶片翼型几何参数和气流角 翼型是组成风力机叶片的基本元素，因此，翼型的气动特性对风力机的性能起着决定性的作用。 以一个静止的翼型为例，其受到气流作用，风速为v，方向与翼型截面平行。 图1 翼型的几何参数和气流角 翼型的尖尾(点B)称为后缘。 圆头上的A点称为前缘，距离后缘最远。 l——翼型的弦长，是两端点A、B连线方向上翼型的最大长度； C——翼型最大厚度，即弦长法线方向之翼型最大厚度； ——翼型相对厚度，，通常为10%~15%； 翼型中线—从前缘点开始，与上、下表面相切诸圆之圆心的连线，一般为曲线； f——翼型中线最大弯度； ——翼型相对弯度，； α——攻角，是来流速度方向与弦线间的夹角； φo——零升力角，它是弦线与零升力线间的夹角； φ——升力角，来流速度方向与零升力线间的夹角。 α=φ+φ0 （2‐1） 此处φ0是负值，α和φ是正值。 2．.NACA四位数字翼型族 NACA四位数字翼型分为对称翼型和有弯度翼型两种。对称翼型即为基本厚度翼型，有弯度翼型由中弧线与基本厚度翼型迭加而成。中弧线为两段抛物线，在中弧线最高点二者水平相切。四位数字翼型的表达形式为NACAXXXX第一个数字表示最大相对弯度的百倍数值;第二个数字表示最大弯度相对位置的十倍数值;最后两个数字表示最大相对厚度t的百倍数值。例如NACA2410翼型，其最大相对弯度为9%;最大弯度相对位置为30%;最大相对厚度为18%。 图2 攻角α=10.5时叶片受力 图3 叶片升力系数和阻力系数 三、叶轮CFD仿真 图4 叶片在气流中的受力分析 已知条件： 风速v=8m/s ， 叶轮外径D=250 mm ， 叶轮厚度b=40 mm， 轮毂直径d=100 mm 若： 叶轮转速n=200rpm， 线速度u= πDn/60=2.6 m/s； 则气相角I=arctg(v/u)=arctg(8/2.6)=72○； 选翼型为NACA2410时，攻角α=10○，可得：安装角β=I-α=72-10=62○； 又若：线速度u= 8m/s，则：转速n=60u/πD= 611 rpm I=arctg(v/u)=arctg(8/8)=45；β=I-α=45-10=35○ 表1：fluent仿真实验数据 Blade 5h 6h 7h 9 9 h 12h 18h β 30 35○ 40 62○ 45○ 74○ 40s 74○ 74○ 45○ 45 74○ Pressure Differences (Pa) 0.27 0.255 0.326 0.128 0.219 0.130 0.382 0.175 0.097 0.283 0.3227 0.212 Forces (N) X-C 1.6 1.52 1.877 0.66 1.238 0.514 2.23 0.999 0.593 1.524 0.647 0.647 Moment（NM） -0.062 -0.07 -0.07 -0.047 -0.075 -0.036 -0.09 -0.025 -0.058 -0.105 -0.122 -0.071 注：h表示d=100mm，否则d=150mm； 四、理论计算 叶片升力 Fy=Cl×ρv2S/2 =1.1×1.225×82×0.003 =0.12kg 五、分析结论： 1、叶片越多，扭矩越大； 2、安装角为30°～45°时，扭矩较大，且无明显差异； 3、由于叶片尺寸较小，所以叶轮的气动特性差异不明显，翼型影响也较小。  附录、各叶轮仿真实验详细数据 1、5叶片， （1）安装角30 Pressure Differences (pascal) From Boundary To Bou