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课程设计报告(2013--2014年度第一学期)名称课程设计学院能源与动力工程学院专业新能源科学与工程设计周数18—20（共三周）2014年1月8日基于NACA4412翼型风力机叶片的设计与三维建模摘要风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×10^9MW，其中可利用的风能为2×10^7MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风很早就被人们利用--主要是通过风车来抽水、磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电。把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。本课题研究水平轴风力发电机的叶片设计、实体建模。主要任务如下：1.编制叶素轴向、周向速度诱导因子、最佳弦长及扭角的计算的界面程序；2.根据程序计算并绘制风力机叶片弦长随叶片展向长度的变化曲线；3.根据程序计算并绘制风力机叶片扭角随叶片展向长度的变化曲线；4.将所设计的叶片的三维模型的进行实体建模。关键词：风力发电，风力机叶片，三维建模第一章综述1.1风力机简介风力机，将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。许多世纪以来，它同水力机械一样，作为动力源替代人力、畜力，对生产力的发展发挥过重要作用。近代机电动力的广泛应用以及20世纪50年代中东油田的发现，使风力机的发展缓慢下来。70年代初期，由于“石油危机”，出现了能源紧张的问题，人们认识到常规矿物能源供应的不稳定性和有限性，于是寻求清洁的可再生能源遂成为现代世界的一个重要课题。风能作为可再生的、无污染的自然能源又重新引起了人们重视。1.2风力机简史风车最早出现在波斯，起初是立轴翼板式风车，后又发明了水平轴风车。风车传入欧洲后，15世纪在欧洲已得到广泛应用。荷兰、比利时等国为排水建造了功率达66千瓦（90马力）以上的风车。18世纪末期以来，随着工业技术的发展，风车的结构和性能都有了很大提高，已能采用手控和机械式自控机构改变叶片桨距来调节风轮转速。风力机用于发电的设想始于1890年丹麦的一项风力发电计划。到1918年，丹麦已拥有风力发电机120台，额定功率为5～25千瓦不等。第一次世界大战后，制造飞机螺旋桨的先进技术和近代气体动力学理论为风轮叶片的设计创造了条件，于是出现了现代高速风力机。1931年，苏联采用螺旋桨式叶片建造了一台大型风力发电机，风速为13.5米/秒时,输出功率达100千瓦,风能利用系数提高到0.32。在第二次世界大战前后，由于能源需求量大，欧洲一些国家和美国相继建造了一批大型风力发电机。1941年，美国建造了一台双叶片、风轮直径达53.3米的风力发电机，当风速为13.4米/秒时输出功率达1250千瓦。英国在50年代建造了三台功率为100千瓦的风力发电机。其中一台结构颇为独特，它由一个26米高的空心塔和一个直径24.4米的翼尖开孔的风轮组成。风轮转动时造成的压力差迫使空气从塔底部的通气孔进入塔内，穿过塔中的空气涡轮再从翼尖通气孔溢出。法国在50年代末到60年代中期相继建造了三台功率分别为1000千瓦和800千瓦的大型风力发电机。现代的风力机具有增强的抗风暴能力，风轮叶片广泛采用轻质材料，运用近代航空气体动力学成就，使风能利用系数提高到0.45左右，用微处理机控制，使风力机保持在最佳运行状态，发展了风力机阵列系统，风轮结构形式多样化。法国人在20年代发明的垂直轴风轮在淹没了半个多世纪之后，已成为最有希望的风力机型之一。这种结构有多种形式，它具有运转速度高、效率高和传动机构简单等优点，但需用辅助装置起动。人们还提出了许多新的设想，如旋涡集能式风力机，据估计这种系统的单机功率将100～1000倍于常规风力机。中国利用风车的历史至少不晚于13世纪中叶，曾建造了各种形式的简易风车碾米磨面、提水灌溉和制盐。直到20世纪50年代仍可见到“走马灯”式风车。1.3风力机的特点新一代风力机的特点是：①增强抗风暴能力；②风轮叶片广泛采用轻质材料,如玻璃纤维复合材料等；③运用近代航空气体动力学成就使风能利用系数提高到0.45左右；④用微处理机控制，使风力机保持在最佳运行状态；⑤发展风力机阵列系统；⑥风轮结构形式多样化。1.4风力机的基本原理太阳对大气层的不均匀照射和地球表面吸热能力的不同，在大气层中引起冷热空气的强烈对流而形成风。风的动能与风速的3次方成正比。用v表示空气速度，用ρ表示质量密度，则单位时间内流过风轮扫掠面积A的空气质量(m)为ρAv，于是空气动能便是。由于气体的可压缩性，气体质点穿过风轮扫掠面──能量转换界面时,风速由v1降为v2，即v1＞v2。因自然风速v1只能有一部分被利用，若以风能利用系数Cρ表示利用程度，则可利用风能为，其中Cρ＜1。根据气体动量理论推导出风能利用系数的最大可能值为或0.593，因此风轮输出功率与风轮的工作面积成正比。Cρ取决于风轮和叶片的结构和工艺。旧式风车Cρ≈0.10，现代风力机Cρ＝0.3～0.4，最高可达0.5。另外，现代风力机在能量传输过程中大约还要损失1/3理论上应输出的功，则有效输出功为：或，式中D为风轮直径。1.5风力机的构成和分类风力机的主要部件是风能接收装置。一般说来，凡在气流中产生不对称力的物理构形都能成为风能接收装置，它以旋转、平移或摆动运动而发出机械功。各类风能接收装置的取舍取决于使用寿命和成本的综合效益。风力机大都按风能接收装置的结构形式和空间布置来分类，一般分为水平轴结构和垂直轴结构两类。以风轮作为风能接收装置的常规风力机，按风轮转轴相对于气流方向的布置分为水平轴风轮式（转轴平行于气流方向）、侧风水平轴风轮式（转轴平行于地面、垂直于气流方向）和垂直轴风轮式（转轴同时垂直于地面和气流方向）。广义风力机还包括那些利用风力产生平移运动的装置，如风帆船和中国古代的加帆手推车等。无论何种类型的风力机，都是由风能接收装置、控制机构、传动和支承部件等组成的。近代风力机还包括发电、蓄能等配套系统。1.6风力机存在的问题世界上已有数万台风力机在运行，作为辅助能源正在发挥作用。但风力机仍存在若干不足之处：①能量输出不稳定，特别是大型风力机的利用率低，作为独立能源的条件还不具备；②安全可靠性尚无充分保障；③成本在短期内尚不足以与矿物燃料相竞争。但是，随着人类对能源需求量的日益增多和科学技术的发展，上述问题终会得到解决。1.7本课题的背景目的及主要工作我国可开发利用的风能资源为2．53亿kW，新疆、内蒙至东北和东南沿海两大主风带有有效风力时间百分率在70％以上。可以说，我国开发风能具有良好的自然环境和资源条件。近几年来，随着我国电网覆盖程度的提高，在各级政府、电力部门和国外政府及金融组织的援助下，我国在新疆、内蒙、广东、福建、辽宁等地区建立了20座风力发电场，总装机容量达302MW，对缓解当地电力供应矛盾，提高供电质量起到了很好的作用。风力发电场的建设，加速了我国能源结构改革的进程，风能己成为真正的补充能源和发挥规模效益的生力军。我国风力发电起步较晚，但发展较快。自80年末引进大型风力发电机以来，经过十多年的不断引进、消化、吸收，积累了一定的经验。我国并网型风力发电技术在80年代中期开始进行试验、示范，经过二十多年的努力，为今后进行国产化风力发电机组的规模化生产打下了一定的基础，同时也为推动国家风电产业化进程做出了努力。但遗憾的是，作为世界上的风能大国，我国尚不具备独立开发风力机尤其是大型风力机的能力，迄今为止国内已投入运行的风力机绝大部分是进口风力机。设计水平是主要制约因素，与此相关的基础研究、实验研究和新技术应用等方面与国外存在着较大的差距，有些领域国内甚至是空白。尤其是目前主流的大型风力机，我国基本上是依靠从国外引进生产技术来仿制。这不但受到成本、运输、售前售后等方面的制约，还要消耗大量的资金，而且将使我国对风力机组的研制水平日益落后于国际先进水平，从根本上来说不利于我国风电产业的发展。更何况从国外引进的风机由于在设计时针对国外的风况和有一些特殊的环保要求，并不能和国内的情况非常吻合，不能很好地达到预期的性能。因此，必须以提高我国风力机的设计和研究水平为目标来实现“国产化。本课程的主要工作：1.阅读理解“风能转换原理与技术中”叶片设计的相关原理及设计知识，主要是第五章和第六章相关知识。2.编制叶素轴向、周向速度诱导因子、最佳弦长及扭角的计算的界面程序；3.根据程序计算并绘制风力机叶片弦长随叶片展向长度的变化曲线；4.根据程序计算并绘制风力机叶片扭角随叶片展向长度的变化曲线；5.将所设计的叶片的三维模型的进行实体建模。第二章风力机设计理论2.1翼型基本知识翼型几何参数如图所示在风轮半径:处取一宽度为dr的叶素，翼型的气动性能直接与翼型外形有关。通常，翼型外形由下列几何参数确定:(l)翼的前缘:翼的前头A为一圆头;(2)翼的后缘:翼的尾部B为尖型;(3)翼弦:翼的前缘左与后缘B的连线称翼的弦，左B的长是翼的弦长已(4)翼的上表面:翼弦上面的弧面;(5)翼的下表面:翼弦下面的弧面;(6)翼的最大厚度h:翼上表面与下表面相对应的最大距离;(7)叶片安装角e:风轮旋转平面与翼弦所成的角;(8)迎角(攻角)a:翼弦与相对风速所成的角度;(9)入流角功:旋转平面与相对风速所成的角。2.2叶片设计的空气动力学理论2.2.1贝茨理论世界上第一个关于风力发电机叶轮叶片接受风能的完整理论是1919年由德国的贝茨(Bee)建立的。贝茨理论的建立，是假定叶轮是“理想”的：全部接受风能(没有轮毂)，叶片无限多；对空气流没有阻力；空气流是连续的、不可压缩的；叶片扫掠面上的气流是均匀的；气流速度的方向不论在叶片前或叶片后都是垂直叶片扫掠面的(或称平行叶轮轴线的)，这时的叶轮称“理想叶轮”。其计算简图如图。V1——距离风力机一定距离的上游风速；V——通过风轮时的实际风速；V2——离风轮远处的下游风速。风力贝茨理论计算模型：风作用在风轮上的力可由Euler理论(欧拉定理)风轮所接受的功率为经过风轮叶片的风的动能转化由2和3式得到因此风作用在风轮叶片上的力F和风轮输出的功率P分别为风速V1是给定的，P的大小取决于V2，对N微分求最大值：令其等于0，求解方程，得V2=1/3V1。贝茨理论说明，理想的V1风能对风轮叶片做功的最高效率是59．3％。一般设计时根据叶片的数量、叶片翼型、功率等情况，取0.25～0.45.2.1.2叶素理论将叶片沿展向分成若干个微段，每个微段称为一个叶素。这里假设每个微段之间没有干扰，叶素本身可以看成一个二元翼型。如图所示：风轮半径为r处环素上的推力为：转距为：式中B一为叶片数。干扰系数，又称为诱导系数，共有两个：一个是轴向干扰系数a，另一个是切向干扰系数b。它们的物理意义就是气流通过风轮时，风轮对气流速度的影响。换言之，气流在通过风轮时，气流的轴向速度与切向速度都要发生变化。而这个变化就是以a、b为系数时对气流速度所打的折扣。2.1.3动量理论在风轮扫掠面内半径r处取一个圆环微元体，如图所示。应用动量定理，作用于风轮（r,r+dr)环形域上：推力：转矩：如果忽略叶型阻力，则。2.3风力机的特性系数2.3.1风能利用系数Cp风力机从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利用系数Cp表示，P—风力机实际获得的轴功率，单位为W；S一风轮的扫风面积，单位为m；v一上游风速，单位为m／s，p一空气密度，单位为kg／m3。2.3.2叶尖速比λ为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比λ。式中n—风轮的转速，单位为r／s；w一风轮角频率，单位为rad／s，R一风轮半径，单位为m2；v一上游风速，单位为m／s。2.4翼型介绍2.4.1翼型的发展概述随着航空科学的发展