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风能转换原理与应用课程设计报告

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一、简介

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全

球的风能约为2.74×10^9MW，其中可利用的风能为2×10^7MW，比地球上可开发

利用的水能总量还要大10倍。把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为

电力动能，这就是风力发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电

不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。

风力机的主要部件是风能接收装置。一般说来，凡在气流中产生不对称力的物理

构形都能成为风能接收装置，它以旋转、平移或摆动运动而发出机械功。各类风

能接收装置的取舍取决于使用寿命和成本的综合效益。风力机大都按风能接收装

置的结构形式和空间布置来分类，一般分为水平轴结构和垂直轴结构两类。以风

轮作为风能接收装置的常规风力机，按风轮转轴相对于气流方向的布置分为水平

轴风轮式（转轴平行于气流方向）、侧风水平轴风轮式（转轴平行于地面、垂直

于气流方向）和垂直轴风轮式（转轴同时垂直于地面和气流方向）。

翼型几何参数

风轮半径r处取一宽度为dr的叶素，翼型的气动性能直接与翼型外形有关。通

常，翼型外形由下列几何参数确定:

(l)翼的前缘:翼的前头为一圆头;

(2)翼的后缘:翼的尾部为尖型;

(3)翼弦:翼的前缘左与后缘的连线称翼的弦;

(4)翼的上表面:翼弦上面的弧面;

(5)翼的下表面:翼弦下面的弧面;

(6)翼的最大厚度h:翼上表面与下表面相对应的最大距离;

(7)叶片安装角e:风轮旋转平面与翼弦所成的角;

(8)迎角(攻角)a:翼弦与相对风速所成的角度;

(9)入流角功:旋转平面与相对风速所成的角。

风力机的特性系数

1、风能利用系数Cp

风力机从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利用系数Cp表示，

Cp=P/(1/2*ρ*S*v^3)

P—风力机实际获得的轴功率，单位为W；S一风轮的扫风面积，单位为m^2；

v一上游风速，单位为m／s，ρ一空气密度，单位为kg／m^3。

2、叶尖速比λ

为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，

称为叶尖速比λ。

λ=120πR*n/v

式中n—风轮的转速，单位为r／min；w一风轮角频率，单位为rad／s，

R一风轮半径，单位为m；v一上游风速，单位为m／s。

二、风力机叶片的设计

风力机叶片是风力机中最基础和最关键的部件，其良好的设计、可靠的质

量和优越的性能是保证风力发电机组正常稳定运行的决定因素。因此，风轮叶片

的设计在风力发电机组设计中占有不可估量的地位。风力机叶片设计分为气动外

形设计和结构设计，气动外形设计的任务是选择合适的翼型并计算叶片的弦长、

安装角以及厚度分布等来确定较好的叶片外表面，从而达到以下目的：对于特定

的风速分布，可以获得最大风能；对于失速风力机能够起到限制最大功率输出的

作用。目前气动外形设计根据不同的理论及其修正理论有许多设计计算方法用，

不同的方法对风力机叶片进行了设计和分.析

1叶片设计的总体参数

叶片外形设计的主要参数有：风轮直径D，叶片数目z，叶片剖面翼型，各翼型

的弦长和安装角。本文对某中型风力机叶片进行外形设计，其给定的参数为：风

力机的输出功率P=7000W，设计风速=7m／s，风轮转速72rpm，风力机功率系数

Cp＝0.43，空气密度为1.225kg/m3

2确定风轮直径D

采用下式计算风轮直径：D=Sqr(8*Pu/(π*ρ*Cp*V^3))

式中，ρ—空气密度，取1.225kg／m^3；Pu—风力机功率，取7000W；

Cp—风力机功率系数取0.43；V—来流速度，取7m/s。

3翼型弦长计算

各翼型断面弦长计算式为：t=(2*π*r/z)(8/(9*Cl))(V1/(λVr))

4叶片重要参数的选取

1．尖速比λ

风轮的尖速比厶等于风轮的叶尖线速度和设计风速之比。λ=wＲ/Vn

0

尖速比与风轮效率密切相关，在风力机没有超速的条件下，运转于高尖速比状态

下的风力机具有较高的风轮效率。通常，高速风力机尖速比一般在