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風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)方法概述
c Research
科學(xué)研究Scienti?
風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)方法概述
賈嬌1 田 德※1，2 王海寬1 李文慧1 謝園奇2
（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2.華北電力大學(xué)可再生能源學(xué)院）
摘 要：該文介紹了目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的主要設(shè)計(jì)理論——Glauert理論、Schmitz理論和動(dòng)量—葉素理
論。運(yùn)用以上三種理論，使用c#語言編程分別計(jì)算了1000W葉片的弦長和來流角，并對(duì)計(jì)算出的結(jié) 果進(jìn)行了比較和分析。從設(shè)計(jì)的結(jié)果可以得到，用動(dòng)量—葉素理論設(shè)計(jì)出來的弦長和來流角較Glauert 理論和Schmitz理論設(shè)計(jì)出來的弦長和來流角更小。但是用以上三種理論設(shè)計(jì)出來的弦長和來流角在 葉根處都偏大。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；葉片；氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)
0 引 言
風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能利用的主要方式，葉片是用來轉(zhuǎn)換風(fēng)能的關(guān)鍵部件。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的外形決定了風(fēng)能轉(zhuǎn)換的效率，因而風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)著重考慮的部件之一。
Glauert理論、Schmitz理論和動(dòng)量—葉素理論是葉片設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論，現(xiàn)代葉片設(shè)計(jì)方法都是在這些理論上進(jìn)一步發(fā)展起來的。到目前為止，Glauert理論和動(dòng)量—葉素理論仍在廣泛的使用。分別介紹了三種理論如何求解葉片的弦長和來流角并運(yùn)用C#語言對(duì)以上三種方法進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片弦長和來流角的求解，并對(duì)這三種方法求解出來的結(jié)果進(jìn)行比較和分析。
1 理論方法介紹 1.1 Glauert理論
G1auert設(shè)計(jì)方法是考慮風(fēng)輪后渦流流動(dòng)的葉素理論(即考慮軸向誘導(dǎo)因子a和切向誘導(dǎo)因子b)；但在另一方面，該方法忽略了葉片翼型阻力和葉梢損失的作用，這兩者對(duì)葉片外形設(shè)計(jì)的影響較小，僅對(duì)風(fēng)輪的效率Cp影響較大。[4]
由一系列的推導(dǎo)知道[1]，對(duì)于在給定半徑r處的尖速比 ，當(dāng)
時(shí)，即
而 ，則
即 ，由此可得：
（3）將上式代入（1），便可求得a值。 根據(jù)
便可求得b，進(jìn)而可求出如圖1所示給定半徑處的來流角
（a）速度 （b）作用力
圖1 翼型在氣流中的運(yùn)動(dòng)分析及受力分析
(4)
便可求出 （5） 1.2 Schmitz理論
很多基本理論是在風(fēng)力發(fā)電機(jī)假設(shè)葉片無限長的情況下建立的，對(duì)于有限長度的葉片當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，升力翼的下表面壓力大于大氣壓力，上表面壓力小于大氣壓
時(shí)，CP有最大值。令 （1）式中： —中間變量
在等式兩邊同除以 ，得
（2）
Scienti? c Research科學(xué)研究
截面號(hào)1
3345678910
（a）弦長 （b）來流角
圖6 動(dòng)量—葉素理論得到的弦長和來流角
表1 三種方法計(jì)算出來的結(jié)果
Glaurt 理論計(jì)算結(jié)果
弦長距離葉根距離r（m）
（m） 0.12750.3700.2550.3590.38250.2960.510.2420.63750.203 0.7650.1730.89250.151 1.020.1331.14750.119 1.2750.108Schmitz 理論計(jì)算結(jié)果距離葉根距離距離r 弦長
（m） （m）
0.12750.3700.2550.3590.38250.2960.510.2420.63750.203 0.7650.1730.89250.151 1.020.1331.14750.119 1.2750.108
動(dòng)量—葉素 理論計(jì)算結(jié)果
弦長來流角距離葉根距離r（m）
（m） （°）
0.12750.36539.860.2550.35227.410.38250.28920.270.51 0.236 15.96 0.63750.19713.070.7650.172 10.790.89250.1429.751.020.1308.271.14750.1097.601.2750.099 6.21
來流角
（°）40.6127.9620.6216.1313.18 11.129.60 8.447.536.79 來流角（°）40.6127.9620.6216.1313.18 11.129.60 8.447.536.79 截面號(hào)13345678910截面號(hào)12345678910
通過對(duì)比以上數(shù)據(jù)可以得出
（1）Glauert理論和Schmitz理論計(jì)算出來的弦長和來流角偏大。主要是動(dòng)量—葉素理論考慮較為全面，考慮了葉尖損失和輪轂損失（在本算例中影響很�。�，而Glauert理論和Schmitz理論考慮不夠全面，只考慮了某一方面。
（2）此實(shí)例中，盡管Glauert理論和Schmitz理論考慮的方面不盡相同，但在此算例中計(jì)算出來的弦長和來流角一樣。從理論上Glauert理論應(yīng)該更合理，[11]
因?yàn)镚lauert理論還考慮了了葉輪后渦流流動(dòng)損失�！ 。�3）對(duì)比已經(jīng)設(shè)計(jì)出來的1kW的葉片，以上三種方法設(shè)計(jì)出來的葉片還需要進(jìn)一步修型，以滿足加工、工藝和氣動(dòng)性能方面的的要求 3 結(jié)論
（1）比較Glauert理論、Schmitz理論和動(dòng)量—葉素理論設(shè)計(jì)出的葉片，可以發(fā)現(xiàn)用動(dòng)量—葉素理論設(shè)計(jì)出來的弦長和來流角較Glauert理論和Schmitz理論更小�！ 。�2）運(yùn)用以上三種理論設(shè)計(jì)的出來的弦長和來流角在葉跟處都偏大，與實(shí)際的葉片有較大的偏差。
（3）葉片設(shè)計(jì)的過程是比較復(fù)雜的，葉片初步設(shè)計(jì)出來以后，為了滿足其結(jié)構(gòu)、成本、加工條件和氣動(dòng)性能還需要大量的修型。
參考文獻(xiàn)
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通訊作者: 田德（1958-） 男, 教授、博士生導(dǎo)師.華北電力大學(xué)可再生能源學(xué)院。電子信箱：tiande8325@yahoo.com.cn
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