1、 课程设计 (综合实验 )报告 ( 2014 - 2015 年度第 1 学期 ) 名 称： 风力机空气动力学 题 目： 风力机叶片设计与制作 院 系： 可再生能源学院 班 级： 风 能 1202 学 号： 1121540216 学生姓名： 庞 辉 庆 指导教师： 张惠 设计周数： 2 成 绩： 日期： 二一五年一月六日 课程 课程设计（综合实验）报告 1 风力机叶片设计与制作 庞辉庆 一、 课程 设计 (综合实验 )的目的与要求 1 本次课程设计的主要目的： 1 1 掌握动量叶素理论设计风力机叶片的原理和方法 1 2 熟悉工程中绘图软件及办公软件的操作 1 3 掌握科研报告的撰写方法 2 本次
2、课程设计的主要要求： 2.1 要求独立完成叶片设计参数的确定，每人提供一份课程报告 2.2 每小组提供一个手工制作的风力机叶片 二、 设计 正文 1 风力机叶片的设计 1 1 给定参数 三叶片风力机功率 P 6.03KW 来流风速 7m/s 风轮转速 72rpm 风力机功率系数 Cp 0.43 传动效率为 0.92 发电机效率为 0.95 空气密度为 1.225kg/m3 1 2 采用 S825 翼型 ：翼型的气动数据（升力系数，阻力系数，俯仰力矩系数）已知。 数据如表 2-1 所示，各系数与攻角的关系如图 2-1、图 2-2 所示： 攻角 Cl Cd 升阻比 -5 -0.003769754
3、0.014193848 -0.2655907 0 0.557616917 0.015516651 35.9366797 5 1.079341696 0.019306975 55.9042365 8 1.340448596 0.025189903 53.213726 10 1.483568879 0.032253513 45.9971253 12 1.54505314 0.04626357 33.3967556 14 1.533673203 0.072406352 21.1814732 16 1.432537451 0.11992029 11.9457471 20 1.191266484 0.2
4、24603485 5.30386465 表 2-1 S825 翼型相关数据 课程 课程设计（综合实验）报告 2 风力机叶片设计与制作 庞辉庆 图 2-1 S825 翼型升力系数、阻力系数特性 图 2-2 S825 翼型升阻比特性 由图 2-2有，升阻比最大值为 55.9 最佳攻角为 5 对应的升力系数是 1.0793 阻力系数是 0.0193 2 设计任务 2.1 风力机叶片设计： 根据动量叶素理论对各个不同展向截面的弦长和扭角进行计算，并使用 Wilson设计模型 进行修正， 按比例画出弦长、扭角随叶高的分布。 2.2 根据以上计算结果手工制作风力机叶片，给出简单的制作说明。 1.5450-
5、0.200.20.40.60.811.21.41.61.8-10 -5 0 5 10 15 20 25Cl Cd55.904-100102030405060-10 -5 0 5 10 15 20 25课程 课程设计（综合实验）报告 3 风力机叶片设计与制作 庞辉庆 3. 数据计算： 3.1风轮半径 R的计算： 由风力发电机输出功率公式： 212381 Pr CDVP （ 2-1） 得风轮直径： mCV PDPr86.992.095.043.07225.1 1003.688 3 3213 （ 2-2） 风轮半径： mDR 93.4286.92 （ 2-3） 3.2不同半径处叶尖速比的计算： 叶片
6、尖端（即 r=R）的叶尖速比： 31.57 93.460/72260/2 rVRnV R （ 2-4） 半径为 r处的叶尖速比： Vrr（ 2-5） 利用式 2-5计算有 表 2-2 截面位置 r/R 叶尖速比 10% 0.53108 20% 1.06216 30% 1.59324 40% 2.12432 50% 2.6554 60% 3.18648 70% 3.71756 80% 4.24864 90% 4.77972 100% 5.3108 表 2-2不同半径处叶尖速比的计算 3.3 翼型入流角、轴向诱导因子、周向诱导因子、扭角的计算与修正 此处采用 Wilson 优化设计方法的数学模型。
7、 最优化设计风力机叶片就是使风力机风轮有最大的风能利用系数，即使式 2-6 课程 课程设计（综合实验）报告 4 风力机叶片设计与制作 庞辉庆 =802 (1)3 (2-6) 在式 2-7的条件下获得 Cp的最大值。 b(1+b)2 = (1) (2-7) 其中，叶梢损失系数 F由式 2-8、 2-9求得。 F = 2arccos() (2-8) f = 2 (2-9) 设计程序时，将 a、 b赋初值，针对每个截面。使用 Matlab 2012a求解以式 2-6为目标函数，以式 2-7为条件函数的最优化问题 ，即可解出各截面的诱导因子 a、 b，进而得到叶梢损失系数 F。（ Matlab程序详见
8、附录） 结果如表 2-3所示 r/R a b F 10% 0.3218 0.5258 0.9221 20% 0.3341 0.1724 0.95 30% 0.3369 0.0827 0.9659 40% 0.3381 0.048 0.9729 50% 0.3393 0.0312 0.974 60% 0.3418 0.022 0.9692 70% 0.3468 0.0165 0.9546 80% 0.3582 0.0132 0.9165 90% 0.3903 0.0116 0.805 表 2-3 各截面诱导因子 a、 b及叶梢损失系数 F 然后，计算入流角和桨距角： 图 2-3 叶剖面和气流、受
9、力关系图 据 图 2-3，半径 r处的来流角 可写成如下关系式： 1)1( )1( baarctg （ 2-10） 课程 课程设计（综合实验）报告 5 风力机叶片设计与制作 庞辉庆 此时攻角 =5 ，对应的 CL=1.079342、 Cd=0.019307， 由扭角（即桨距角）定义及当前攻角（ =5 ）可得各位置 桨距角 （ 2-11） 由式 2-10、 2-11 及表 2-3数据 联立计算 ，得 表 2-4数据 相对位置 a b 入流角 扭角 （桨距角） 10% 0.3218 0.5258 39.92769447 34.92769 20% 0.3341 0.1724 28.13523099
10、23.13523 30% 0.3369 0.0827 21.02703911 16.02704 40% 0.3381 0.048 16.5577996 11.5578 50% 0.3393 0.0312 13.56536234 8.565362 60% 0.3418 0.022 11.42633419 6.426334 70% 0.3468 0.0165 9.806929664 4.80693 80% 0.3582 0.0132 8.47988417 3.479884 90% 0.3903 0.0116 7.186897273 2.186897 表 2-4 各位置的 入流角、轴向诱导因子、周向
11、诱导因子、扭角 采用多项式趋势线对桨距角进行修正。 将 10 等分 的 每个 截面 的 桨距角 与 相对 位置 r/R 的 关系 进行 拟合 ， 这样 叶片 根部 过大 的 弦长 值 就 得到了 修正 。 拟合 出 的 方程 次数 越高 ， 修正 后 的 数值 就 约 接近 原始 数值 ，因 修正 造成 的 效率 损失 也就 越小 。 权衡 实际 情况 后 ， 决定 采用 二 次 表达 式 进行 拟合 。 由表 2-5数据计算得桨距角修正趋势表达式式 2-14 = 55()2 94.48 +42.227 （ 2-12） 并用此式计算得修正后的桨距角，见表 2-5、 图 2-4 r/R 桨距角修
12、正 10% 25.439 20% 19.959 30% 15.658 40% 11.957 50% 8.856 60% 6.355 70% 4.454 80% 3.153 90% 2.452 100% 1.23 表 2-5桨距角修正值 图 2-4桨距角修正值与相对位置的关系 3.4各截面处翼型弦长： 由 式 2-13计算 弦长 ： =82(1)(1)2 （ 2-13） 05101520253035400 20 40 60 80 100课程 课程设计（综合实验）报告 6 风力机叶片设计与制作 庞辉庆 将 不同 r/R带入 式 2-13有 表 2-6 r/R 弦长 C 10% 0.932701 2
13、0% 0.943009 30% 0.790582 40% 0.653492 50% 0.548913 60% 0.47014 70% 0.409378 80% 0.36035 90% 0.314957 100% 0 表 2-6 不同叶片半径处的弦长 图 2-5 弦长与相对位置的关系 采用多项式趋势线进行修正，由表 2-3数据计算得修正趋势表达式式 2-7 C = 0.9()2 1.87 +1.2623 (2-7) 并用此式计算得修正后的弦长，见表 2-4与图 2-4 r/R 弦长 C修正 10% 1.0843 20% 0.9243 30% 0.7823 40% 0.6583 50% 0.552
14、3 60% 0.4643 70% 0.3943 80% 0.3423 90% 0.3083 100% 0.2923 表 2-7 弦长修正值 图 2-6 弦长（修正值）与相对位置的关系 4.叶片实物制作 4.1 选取比例尺为 1： 5 4.2 翼型截面二维设计 导入 s825ps.dat 作为翼型压力面数据，导入 s825ss.dat 作为吸力面数据，使用 AutoCAD 2005将坐标连线后有 基础翼型，并导入 Soildworks 2012中作为基础平面草图，如图 2-7所示。 00.20.40.60.810 20 40 60 80 10000.20.40.60.811.20 20 40 6
15、0 80 100课程 课程设计（综合实验）报告 7 风力机叶片设计与制作 庞辉庆 图 2-7 基础平面草图 4.3 翼型截面 三 维设计 在基础平面草图的基础上，在空间中建立 10个等距的基准平面，并由表 2-4、 2-5、 2-6中相关数据绘制出各个截面的翼型图，叠加后有图 2-8。 图 2-8 10个翼型截面的设计叠加图 由 “ 草图放样 ” 功能依次将 0-9基准面两两曲面连接后，可得 翼型三维模型。如图 2-9、 2-10、 2-11、 2-12 图 2-9 翼型三维模型（正等测视图） 课程 课程设计（综合实验）报告 8 风力机叶片设计与制作 庞辉庆 图 2-10 翼型三维模型（ 左侧
16、 正视图、 右侧 背视图） 图 2-11 翼型三维模型（上为左视图、下侧右视图） 图 2-12 翼型三维模型（上视图） 4.4 实物制作 实物制作分为两阶段： 3D打印 各分体结构、拼合分体结构 。 鉴于 3D 快速成型设备 可加工的尺寸限制 ，我们团队决定 先采用 3D快速成型设备 分别 生成等距基准面 0-1、 1-2、 8-9的共 10 个截面间的 9个分体结构 。 课程 课程设计（综合实验）报告 9 风力机叶片设计与制作 庞辉庆 图 2-13 3D快速成型设备上位机 图 2-14 3D快速成型设备工作状态 然后，出于节省材料的考虑，生成的 分体结构为抽壳 体 ，因此采用热熔胶边缘拼合的
17、方式将各个分体结构粘接为一个完整的叶片。 课程 课程设计（综合实验）报告 10 风力机叶片设计与制作 庞辉庆 三、 课程设计总结或结论 通过本次课程设计，我们深刻的体会到，正如课程设计的定义所言： 课程设计是培养学生综合运用所学知识 ,发现 ,提出 ,分析和解决实际问题 ,锻炼实践能力的重要环节 ,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程 。 在本次 “ 风力机叶片设计与制作 ”课程设计中，我们深刻的体会到综合应用以往所学知识的重要性 ，以及计算机技术在科学研究中起到的不可忽视的辅助作用，帮助广大研究者节约了许多重复劳动的时间。 在数值计算部分，我们学习了 Matlab 2012a的基本用法与
18、命令，并完成了一个简单的多约束条件下的求最优解问题。利用 Matlab 2012a 导出的数据，在 excel中进行批量处理并制表绘图。同时，利用excel对相关数据进行多项式线性化校正 。 在实物制作部分，我们学习了 Solidworks 2012，并应用上学年学习的 AutoCAD 2010 进行二维平面设计，将二维截面导入到 Solidworks 中进行三维建模，并应用 3D 快速成型设备进行快速实体建模。 贯穿于整个过程中，我们的工程能力得到巨大提高。通过一个实际工程的上手操作，明白了如何应用从前所学知识，并认识到课本知识不能生搬硬套到工程实践中，理论与实践总是存在一定差距。 回顾整个
19、过程，我们有苦有乐。一起进行选型，一起研究程序算法，一起购置材料并一起动手完成了一个实体叶片。以此充分认识到在科学研究中，除了个人的努力钻研，更有团队的紧密配合才能完成一个真正的工程项目。 通过本次课程设计我们更是认识到，我们在风力发电事业上仅仅是一个初学者。我们作为将来可 再生能源行业的中坚力量，更是要加强专业知识的学习，不断丰富工程实践经历 ，立志为将来的可再生能源事业贡献自己的一份力量！ 最后，感谢在这两周内两位队友的紧密配合，感谢老师一个学期以来的辛勤付出与悉心指导！ 课程 课程设计（综合实验）报告 11 风力机叶片设计与制作 庞辉庆 三、 参考文献 1 贺德馨 等 .风力机空气动力学
20、 .M.华北电力大学出版社 .2008.10 2 吴双群 , 赵丹平 .风力机空气动力学 .M.北京大学出版社 .2011 3 白井艳 , 杨科 , 李宏利等 . 水平轴风力机专用翼型族设计 J. 工程热物理学报 , 2010, (4):589-592. 4 张果宇 , 冯卫民 , 刘长陆等 . 6 种风力机叶片翼型的气动性能数值模拟研究 J. 可 再生能源 , 2009, (2):11-15. 5 辛文彤，李志尊 .Solidworks 2012 中文版从入门到精通 .M.人民邮电出版社 .2013 6 马莉 . MATLAB 语言实用教程 .M.清华大学出版社 .2010 7 李辉 ,田乾
21、 ,李慧 ,王少夫 ,路闯 ,谢占山 . 500W 风力机叶片建模与仿真技研究 .J.哈尔滨师范大学自然科学学报 ,2014,(6):48-53 8 张仁亮 .基于 SolidWorks 的风力机叶片三维建模及模拟分析 D.湘潭大学 ,2012. 课程 课程设计（综合实验）报告 12 风力机叶片设计与制作 庞辉庆 附录（ 设计流程图、程序、表格、数据等 ） 目标函数 funObject.m function f = funObject(i,x) %i=1; div=10; %叶片截面数 y=5.3108; %叶片半径 f =-8/y2*x(2)*(1-x(1)*x(3)*(y/div*i)3;
22、 约束函数 funConstraint.m function c, ceq = funConstraint(i,x) %i=1; div=10; %叶片界面数 R=4.9306; %叶片半径 y=5.3108; %叶尖速比 c = ; ceq = x(1)*(1-x(1)*x(3)-x(2)*(1+x(2)*(y/div*i)2; x(3)-2/pi*acos(exp(-1.5*(R-R/div*i)/R/sin(atan(1-x(1)/(1+x(2)/(y/div*i); 主函数 clear value=zeros(9,3); for p=1:9 x,fval=fmincon(x)funOb
23、ject(p,x),0;0;0,(x)funConstraint(p,x); value(p,1)=x(1); %a value(p,2)=x(2); %b value(p,3)=x(3); %F end value %显示数据 附图 ： matlab R2012a 输出结果 课程 课程设计（综合实验）报告 13 风力机叶片设计与制作 庞辉庆 r/R a b F 周速比 入流弧度 入流角 度 扭角 r C C 修正 扭角修正 10 0.3218 0.5258 0.9221 0.53108 0.69687 39.92769447 34.92769 0.49306 0.932701 1.0843
24、24.86 20 0.3341 0.1724 0.95 1.06216 0.491052 28.13523099 23.13523 0.98612 0.943009 0.9243 19.959 30 0.3369 0.0827 0.9659 1.59324 0.366991 21.02703911 16.02704 1.47918 0.790582 0.7823 15.658 40 0.3381 0.048 0.9729 2.12432 0.288988 16.5577996 11.5578 1.97224 0.653492 0.6583 11.957 50 0.3393 0.0312 0.9
25、74 2.6554 0.23676 13.56536234 8.565362 2.4653 0.548913 0.5523 8.856 60 0.3418 0.022 0.9692 3.18648 0.199427 11.42633419 6.426334 2.95836 0.47014 0.4643 6.355 70 0.3468 0.0165 0.9546 3.71756 0.171163 9.806929664 4.80693 3.45142 0.409378 0.3943 4.454 80 0.3582 0.0132 0.9165 4.24864 0.148002 8.47988417 3.479884 3.94448 0.36035 0.3423 3.153 90 0.3903 0.0116 0.805 4.77972 0.125435 7.186897273 2.186897 4.43754 0.314957 0.3083 2.452 升力系数 CL R 叶尖速比 1.079341696 4.9306m 5.3108 附表：本设计中 计算所得 的所有参数
