[發明專利]風力機葉片氣動外形協同設計方法

無效

• 申請號: 201110252679.X
• 申請日: 2011-08-30
• 公開（公告）號: CN102322407A
• 公開（公告）日: 2012-01-18
• 發明（設計）人: 陳進;程江濤;汪泉;龐曉平
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: F03D11/00
• 分類號: F03D11/00;G06F17/50
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275
• 代理人: 趙榮之

技術領域

本發明涉及風力機設計制造領域，特別涉及一種用于風力機翼型和葉片氣動外形設計的方法。

背景技術

風力機葉片翼型性能及其沿展向的分布特性是決定風力機功率和載荷特性的根本因素，一直是各國學者研究的熱點所在。目前葉片翼型氣動外形的設計方法都是基于一定的原始幾何形狀及希望的氣動性能，進行參數的設計和優化。

目前葉片外形的設計理論有好幾種，都是在機翼氣動理論基礎上發展起來的。第一種外形設計理論是按照貝茨理論得到的簡化設計方法，該方法假設風輪是理想的，葉片數為無窮多個，同時風輪旋轉時沒有摩擦阻力，風輪流動模型簡化為一元流管，風輪前后氣流靜壓相等，不考慮渦流損失等。由貝茨理論計算得到的風輪風能利用系數為59.3%，實際上這種方法設計出來的風輪效率不超過40％。后來一些著名的氣動學家相繼發展了葉片氣動設計理論：Schmitz理論認為對于有限長的葉片，風輪葉片下游存在著尾跡渦，通過考慮葉片周向渦流損失，設計結果精度有一定的提高；Glauert理論考慮了風輪后渦流流動，但忽略了葉片翼型阻力和葉稍損失的影響，這對葉片外形影響較小，對風輪效率影響卻較大；Wilson在Glauert理論基礎上作了改進，研究了葉稍損失和升阻比對葉片最佳性能的影響以及風輪在非設計工況下的性能，在優化過程中考慮了誘導速度、升阻比和葉尖損失，建立了風能利用系數和葉片氣動參數的數學方程式，是目前最常用的葉片設計理論，由于在設計過程中沒有考慮阻力的影響，通過該理論得到的弦長和扭角較大，增加了葉片的材料成本、疲勞強度以及成型難度，因此由該理論設計的葉片必須要進行后處理，如減小葉根弦長和扭角，對葉片沿展向弦長，扭角的線性化處理等。

目前國內外研究現狀分析表明，風力機翼型、葉片的研究一般采取相互獨立串行設計的方法。在翼型的設計中，一般基于一定的初始形狀，從期望的氣動性能出發，主要側重于翼型的粗糙度敏感性，或者以翼型的最大升阻比為目標，或者以翼型的最大推力系數為目標，或者考慮翼型有較好的失速特性，或者考慮有較大的運行攻角范圍等單一設計要求，然后在此基礎上進行改進、修型和優化，以獲得性能良好的翼型，由于在設計中沒有考慮這些因素之間的相互影響關系，因此具有一定的局限性；同時在葉片的設計過程中，也都是基于空氣動力學性能、結構特性和功率特性等單一學科要求進行優化設計，沒有充分考慮風場實地和風力機特殊運行工況下各設計學科之間的耦合關系與協同機制，因而不能更大限度的改進葉片的性能，提高風力機的風能利用系數進而降低成本。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的是提供一種風力機葉片氣動外形協同設計方法，具有構思巧妙、直接簡便、易于理解和操作等優點。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

該風力機葉片氣動外形協同設計方法，包括風力機葉片的氣動外形設計，

所述風力機葉片的氣動外形設計包括以下步驟：

風力機葉片氣動外形協同設計方法，其特征在于：包括風力機葉片的氣動外形設計，所述風力機葉片的氣動外形設計包括以下步驟：

1）設定參數化翼型型線表達式，設定葉尖速比λ、葉片設計半徑R，葉素當地半徑r，葉片數B，收斂容許偏差tol，計算精度m；

2）設定α(0)和α’(0)的初值α(0)=1/n，α’(0)=0；n為自然數；

3）采用下式計算入流角φ：

，其中r為葉素展向半徑，ω為葉片旋轉角速度，ρ為空氣密度，V₀為風速；

4）采用下式分別計算葉尖損失因子F和F1：

，其中，??，R為風輪半徑；???????????

??，其中，??????????????????

式中B表示為葉片數；

5）采用下式分別計算切向力系數C_x和法向力系數C_y：

??，

??；式中為翼型升力系數，為翼型阻力系數，C_x和C_y分別為切向力系數和法向力系數；

6）采用下式計算風能利用系數(0)：

；

式中α為軸向誘導因子，α’為周向誘導因子，σ表示葉片實度，計算(0)時，α和α’分別賦值為α(0)和α’(0)；

為葉素所在展長處當地速比，?=X?*?r/R，其中X為葉尖速比，r為翼型截面當地半徑，R為風輪半徑；

7）進入循環，即在一定的軸向和周向誘導因子時，利用協同設計模型迭代求解，直至(1)與(0)的變化小于設定容許偏差tol，完成一次計算；