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兆瓦级风力机叶片外形设计及其三维建模

2014/1/13    来源:万方数据    作者:邬再新  崔琦  刘涛  杨成      
关键字:风力机叶片设计  气动外形优化  三维建模  CATIA  
文章针对兆瓦级大型风力发电机叶片最佳设计攻角和升力系数沿叶片展向呈非线性分布的情况,对传统Willson设计方法进行修正,优化设计叶片的气动外形。并结合优化得出的叶片几何外形参数,运用点的坐标转换理论来计算叶片各截面翼型的空间实际坐标。利用CATIA软件完成叶片的三维建模。

0 引言

    叶片是风力发电机的能量转换部件,风力机依靠叶片捕获风能,将风能转化为动能,进而带动发电机产生电能,因此,叶片是风力机的关键设备之一。叶片的气动外形决定了风能的转换效率,气动外形的设计主要解决的是叶片最佳几何外形参数的确定,包括叶素翼型、弦长、安装角以及厚度分布。

1 风力机叶片气动外形优化设计

    1.1 风轮的基本设计参数

    风力机风轮的基本参数:风轮直径为80m;叶片数为3;设计尖速比λ为9.5;额定功率为1.5MW。

    1.2 翼型的选择

    翼型的选择对于风力机效率十分重要,翼型的选取应尽量使升阻比趋于最大,从而提高风力机的效率,而根部则采用相对厚度较大的翼型,以保证大型叶片的结构强度。设计采用NACA63系列航空翼型,叶尖部翼型相对厚度为16%,叶片中部翼型相对厚度为25%,最大弦长处翼型相对厚度为40%,根部采用圆形。

    翼型选定之后,根据软件Profili选取升阻比最大的点所对应的升力系数、阻力系数和对应的最佳攻角。如通过Profili,生成翼型NACA63-416在雷诺系数700000下的升阻比曲线和升力系数曲线,如图1和图2所示。可以得出,该翼型最大升阻比对应的攻角α为6°,攻角α对应的升力系数为1.0。

升力系数CL随攻角α变化曲线

图1 升力系数CL随攻角α变化曲线

升阻比CL/Cd随攻角α变化曲线

图2 升阻比CL/Cd随攻角α变化曲线

    由于Profili软件翼型数量有限,只提供很少几种相对厚度值的标准翼型,无法满足设计需求,所以要通过Profili软件的翼型管理功能对现有的标准翼型进行厚度修型,生成所需要的新翼型。将新生成的翼型导人Profili,获得设计攻角和升力系数等参数。通过这种方法得到翼型NACA63-425和NACA63-440的气动数据。同样生成的新翼型的相关气动数据也可以通过相邻标准翼型的气动数据插值获得,经比较,其插值计算结果和Profili计算结果比较非常接近。

责任编辑:程玥
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