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風力發(fā)電機葉片氣動外形設計方法概述
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風力發(fā)電機葉片氣動外形設計方法概述
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)大學機電工程學院 2.華北電力大學可再生能源學院）
摘 要：該文介紹了目前風力發(fā)電機葉片的主要設計理論——Glauert理論、Schmitz理論和動量—葉素理
論。運用以上三種理論，使用c#語言編程分別計算了1000W葉片的弦長和來流角，并對計算出的結 果進行了比較和分析。從設計的結果可以得到，用動量—葉素理論設計出來的弦長和來流角較Glauert 理論和Schmitz理論設計出來的弦長和來流角更小。但是用以上三種理論設計出來的弦長和來流角在 葉根處都偏大。
關鍵詞：風力發(fā)電機；葉片；氣動外形設計
0 引 言
風力發(fā)電是風能利用的主要方式，葉片是用來轉(zhuǎn)換風能的關鍵部件。風力發(fā)電機葉片的外形決定了風能轉(zhuǎn)換的效率，因而風力發(fā)電機葉片氣動外形設計關系到風力發(fā)電機的性能，是風力發(fā)電機設計著重考慮的部件之一。
Glauert理論、Schmitz理論和動量—葉素理論是葉片設計的基礎理論，現(xiàn)代葉片設計方法都是在這些理論上進一步發(fā)展起來的。到目前為止，Glauert理論和動量—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用C#語言對以上三種方法進行編程，實現(xiàn)對葉片弦長和來流角的求解，并對這三種方法求解出來的結果進行比較和分析。
1 理論方法介紹 1.1 Glauert理論
G1auert設計方法是考慮風輪后渦流流動的葉素理論(即考慮軸向誘導因子a和切向誘導因子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，這兩者對葉片外形設計的影響較小，僅對風輪的效率Cp影響較大。[4]
由一系列的推導知道[1]，對于在給定半徑r處的尖速比 ，當
時，即
而 ，則
即 ，由此可得：
（3）將上式代入（1），便可求得a值�！ 「鶕�(jù)
便可求得b，進而可求出如圖1所示給定半徑處的來流角
（a）速度 （b）作用力
圖1 翼型在氣流中的運動分析及受力分析
(4)
便可求出 （5） 1.2 Schmitz理論
很多基本理論是在風力發(fā)電機假設葉片無限長的情況下建立的，對于有限長度的葉片當風輪旋轉(zhuǎn)時，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，CP有最大值。令 （1）式中： —中間變量
在等式兩邊同除以 ，得
（2）
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截面號1
3345678910
（a）弦長 （b）來流角
圖6 動量—葉素理論得到的弦長和來流角
表1 三種方法計算出來的結果
Glaurt 理論計算結果
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 理論計算結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
動量—葉素 理論計算結果
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13345678910截面號12345678910
通過對比以上數(shù)據(jù)可以得出
（1）Glauert理論和Schmitz理論計算出來的弦長和來流角偏大。主要是動量—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�。鳪lauert理論和Schmitz理論考慮不夠全面，只考慮了某一方面。
（2）此實例中，盡管Glauert理論和Schmitz理論考慮的方面不盡相同，但在此算例中計算出來的弦長和來流角一樣。從理論上Glauert理論應該更合理，[11]
因為Glauert理論還考慮了了葉輪后渦流流動損失�！ 。�3）對比已經(jīng)設計出來的1kW的葉片，以上三種方法設計出來的葉片還需要進一步修型，以滿足加工、工藝和氣動性能方面的的要求 3 結論
（1）比較Glauert理論、Schmitz理論和動量—葉素理論設計出的葉片，可以發(fā)現(xiàn)用動量—葉素理論設計出來的弦長和來流角較Glauert理論和Schmitz理論更小�！ 。�2）運用以上三種理論設計的出來的弦長和來流角在葉跟處都偏大，與實際的葉片有較大的偏差。
（3）葉片設計的過程是比較復雜的，葉片初步設計出來以后，為了滿足其結構、成本、加工條件和氣動性能還需要大量的修型。
參考文獻
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通訊作者: 田德（1958-） 男, 教授、博士生導師.華北電力大學可再生能源學院。電子信箱：tiande8325@yahoo.com.cn
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