风力机叶片气动外形设计和三维实体建模研究.pdf

1 9 0 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 7 期 2 0 1 0年 7月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 0 0 7 0 1 9 0 0 2 风力机叶片气动外形设计和三维实体建模研究 杨 涛李 伟张丹丹 内蒙古工业大学 机械学院， 呼和浩特 0 1 0 0 5 1 W i n d t u r b i n e b l a d e d e s i gn a n d t h r e e - d i me n s i o n a l s o l i d mo d e l i n g s t u d y YANG Ta o， L I W e i ， ZHANG Da n d a n I n n e r Mo n g o l i a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y F o r Me c h a n i c a l I n s t i t u t e ， H u h h o t 0 1 0 0 5 1 ， C h i n a 中图分类号 T H1 6 ， T M3 1 5 文献标识码 A 1 引言 风力机叶片时风力机中最基础和最关键的部件， 它直接影响 着整机的性能和成本， 约占整机成本的 2 0 ～ 3 0 ％左右。 风力机叶 片设计分为气动外形设计和结构设计， 气动外形设计的主要任务 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。 针对 1 ． 2 MW 级风 电机组 叶片气动外形技术 ， 采用 Wi l s o n设 计方法， 利用 M A T L A B语言编程， 计算出叶片各截而的弦长和安 装角； 然后 ， 运用点的坐标变换理论 ， 将翼型的二维剖面坐标转换 成对应叶片截面的三维空间坐标； 最后应用 P r o ／ E N G I N E E R软件 对叶片进行建模。 2 风力机叶片气动外形设计 风力机叶片的气动外形设计包括 叶片直径 D、 叶片数 B、 叶 片翼型的选取、 叶片各截 面的弦长 C和安装角 0 。给定的参数包 括 P - I ． 2 MW， 设计风速 V 1 3 m ／ s ， 风能利用系数 0 ． 4 2 ， 风力机 的机电效率 卵 叩 ， 7 2 o ． 8 1 n 。 为传动效率， r ／ 2 为发电机效率 。 2 ． 1确定叶片直径 1 ． 2 xl 03 式中 p 空气密度， 取 1 ． 2 2 5 k g ／ m 。 2 ． 2 确定叶片数 和叶尖速比A 由于三叶片的风力发 电机运行和输出功率比较平稳 ， 一般风 力机都选用三叶片， 通常， 对高速风力机来说， 叶尖速比在 6 ～ 8 范 ★来稿 13 期 2 0 0 9 0 9 1 9 围内， 风力机具有较高的风能利用 系数。因此 ， 选定 B 3 ， A 7 。 2 ． 3翼型的选择 在所有叶片影响参数中， 翼型是最重要的一个。翼型的选择 对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 值 ，从而提高风力机的效率。采用三种翼 型，即 N A C A 6 3 - - 4 2 1 、 N ACA 6 3 - 41 8和 N AC A6 3 - 41 5 。 2 ． 4弦长和安装角计算 采用 Wi l s o n 设计法 。 Wi l s o n 设计法是在 G l a u e r t 设计法基础 上作了改进， 增加了叶梢损失系数和升阻比对叶片最佳性能的影 响。由动量一 叶素理论可得 d 告6 1 一 。 F A 3d ／ 2 。 1 一 a F b 1 - a a 3 F a r c c o s e 4 5 2 R s i n 6 、 。 t a n { 6 BCCL 1 - a F 、 a ． F 8 “ r r s i n 2 d _ 7 r 1 一n 0 c o s b 、 一 西 一 d 8 式中 风能利用系数； A 一叶尖速比； 。 轴向诱导因子； 6 一 周向诱导因子； ， 一叶梢损失系数； 曰 一叶片数； 尺一叶片半 径 ； r 一叶素截面到叶根距离 ； 咖 来流角 ； 一叶片翼型升 力系数； c 一叶素弦长； 安装角； o r 一最佳攻角。 第 7期 杨 涛等 风力机叶片气动外形设计和三维实体建模研究 1 9 1 程序流程框图， 如图 1 所示。 叶片各截面弦长和安装角， 如表 经变换得到 1 所示 。 l 定 义 变 量 l 输入变量 A ， R ， B ● I ．1 1 n I l 计 算A l 赋初值。 ， b 6 l调用 MA T L A B非线性约束最优化函数 F m i n C O n 计算 a 和b 值 l计 算a 、 6 、 ， 中 、 1 l 参 数 输 出 I I T ⋯ ． l l输 出 全 部 截 面 的 弦 长 和 安 装 角 l 图 1程序流程框图 表 1叶片各截面弦长和安装角 3翼型坐标转换 3 ． 1转换思路 首先 ， 以翼型前缘 为原点 、 翼弦方向为 轴 的坐标系下 的上 下弦数据 转换为以气动中心为原点、 翼弦方向为想轴的坐 标 Y ， 然后经过旋转变换而求得叶素各离散点的空间实际坐 标 ， Y ， 。 。 3 _ 2坐标系的确定 建立三维坐标系 ， 设 叶片根部 1 - 0的叶素平面为 X O Y平面 ， 叶素上弧离散点坐标叶展方向为 轴方 向。原点设在 r - O的叶素 平面的气动中心， 叶素各离散点的空间实际坐标为 x ， Y ， 。 3 ． 3叶素各离散点实际坐标的确定 1 获取翼型数据 Y 。 ， 通过 p r o fi l i 或 n a c a 软件获得 。 2 求解翼型以气动中心为原点、翼弦为 轴的二维坐标 Y o通常气动中心至翼型前缘的距离取 0 ． 2 5 ～ 0 ． 3 5 ， 取 0 ． 3 ． 所 以气动中心的 轴坐标为0 ． 3 C， Y轴坐标为0 ， 设气动中心坐标为 x 3 , y 3 。则 。 ， y 1 0 ， y o 一 3 ， Y 3 9 3 求解叶素各离散点空间实际坐标 XXl C O S OYt s i n O y 1 s i n yl c s o Z ／ - 1 0 1 1 1 2 x V x c o s a r c t g 柏 1 3 yV x ； s i n a r c tg ， 1 4 z r 1 5 通过 E x c e l 软件可完成各叶素上所有离散点空间实际坐标 的计算。 4叶片的三维实体建模 根据上述过程获得各叶素空间实际坐标 ， Y ， ， 进而可通 过 C A D ／ C A M软件绘制叶片， 采用 P r o ／ E N G I N E E R软件来完成对 叶片的三维实体建模 。具体建模步骤如下 1 绘制各叶素轮廓线。P r o ／ E软件可通过外部文件建立曲线， 把 E x c e l 中轮廓线的坐标数据存为- t x t 文件 ，编辑后改 为． i b l 文 件。 这样 P r o ／E软件利用外部文件绘制叶素的上下弦， 即得各叶 素轮廓线。 2 生成翼型部分的叶片面， 利用“ 曲面混合” 命令实现各叶 素轮廓线成曲面。 3 结合 叶柄数据 ， 生成整体 叶片 。最终的叶片三维 实体模 型， 如 图 2所示 。 图 2风机 叶片三维实体模型 5结论 以 1 ． 2 MW 风机为例 ， 对风机叶片进行了气动外形设计 ， 在此 基础上 ， 通过点 的坐标转换来确定各叶素所有离散点 的空间实际 坐标 。最后 ， 利用 P r o ／E 软件对风机叶片进行三维实体建模 ， 同时 也便于对风机叶片作进一步分析， 如叶片的气动I生 能计算、 结构 分析等。 参考文献 1 叶杭冶． 风【力发电机组控制技术[ M】 ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 2 5 2王承煦， 张源． 风力发电[ M] ． 北京 中国电力出版社， 2 o o 2 8 3宫靖远． 风电场工程技术手册 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 4 4 4刘万琨 、 张志英 、 李银凤等， 风能与风力发电技术[ M] ． 北京 化学工业出版 社， 2 0 0 7 1 5 T o n y B u r to n等著， 武鑫等译． 风能技术[ M] ． 北京 能源出版社， 2 0 0 7 9 6王军， 周丙超． 基于 MA T L AB的小型风力机叶片设计[ J j ． 水电能源科学 ， 2 0 0 7 ． 2 5 5 1 4 2 1 4 4 7陈家权， 杨新彦． 风力机叶片立体图设计[ J I． 机 电工程， 2 0 0 6 ， 2 3 4 3 7 4 0 8汪雪英，蔡新娟． 计算机优化在机械设计中应用 [ J ] ． 精密制造与 自动化 ， 2 o 0 7 2 4 47 9詹友刚， 洪亮． P ro ／ E NG I N E E R中文野火版 2 ．0产品设计通用教程[ M] ． 北 京 清华大学出版社， 2 0 0 5 9