1、1沈 阳 工 程 学 院课 程 设 计设计题目： 风力机叶片的优化设计 学 院 班级 学生姓名 学号 指导教师 职称 起止日期： 年 月 日起至 年 月 日止2沈 阳 工 程 学 院风力机空气动力学 课程设计成绩评定表学院(系部)： 班级： 学生姓名： 指 导 教 师 评 审 意 见评价内容 具 体 要 求 权重 评 分 加权分调研论证能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排。 0.1 5 4 3 2工作能力态度工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作。 0.2 5 4 3 2工作量按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。 0.2 5 4 3 2报
2、告质量设计报告立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.5 5 4 3 2指导教师评审成绩（加权分合计乘以 12） 分 加权分合计指 导 教 师 签 名： 年 月 日评 阅 教 师 评 审 意 见评价内容 具 体 要 求 权重 评 分 加权分查阅文献查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力。 0.2 5 4 3 2工作量 工作量饱满，难度适中。 0.5 5 4 3 2设计报告质量设计报告立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.3 5 4 3 2评阅教师评审成绩（加
3、权分合计乘以 8） 分 加权分合计评 阅 教 师 签 名： 年 月 日课 程 设 计 总 评 成 绩 分3课程设计任务书一、设计目的风力机空气动力学课程设计是风能与动力工程专业中重要的实践性教学环节。通过该教学环节，使学生熟练掌握风力机叶片工作原理，并能够通过结合动量叶素理论相关知识与给定的环境条件设计出工作叶片，巩固和提高其风力机叶片设计及制造知识，树立其理论知识指导设计的工作思想，加深其对现场生产实际的了解，培养其对工程技术问题严肃认真、负责的态度，为其以后从事实际工作打下坚实的基础。二、设计主要任务1、根据设计条件，进行风力机风能利用系数的优化。2、获得风力机翼型叶片弦长、桨距角及扭角等
4、，确定优化设计的风力机叶片。3、独立撰写一份设计报告，完成布置的设计计算任务，CAD 绘制优化设计的风力机翼型图，手工绘制 、 及 曲线等。要求设计报告字迹工整、公式准确、Rrcp/rc/Rr/图表及曲线等清晰。三、设计条件1、当地的风资源，如年平均风速： 、平均风压： 、风温： 等；2、所设计的风力机出力，如额定功率： 等；3、优化设计所选用的翼型相关性能，如基本尺寸及 、 、 等；lcd4、风力机运行参数，如转速： 等；5、其他设计中需要给出的相关参数等。四、设计时间安排（共计 1 周）时 间 设计主要内容2015 年 3 月 23 日2015 年 3 月 24 日指导教师讲解设计任务，学
5、生收集资料，指导教师与学生讨论、交流，形成设计思路及方案2015 年 3 月 24 日2015 年 3 月 25 日根据设计条件，进行风力机风轮半径及风能利用系数的确定2015 年 3 月 25 日2015 年 3 月 26 日获得风力机翼型叶片弦长、桨距角及扭角等，确定优化设计的风力机叶片2015 年 3 月 26 日2015 年 3 月 27 日手工绘制 、 及 曲线（坐标纸） ，Rrcp/rc/Rr/CAD 绘制优化设计风力机翼型图等2015 年 3 月 27 日2014 年 3 月 27 日整理、撰写设计报告，进行本次设计答辩、总结等五、主要参考资料1 何显富、卢霞等 主编，风力机设计
6、、制造与运行. 北京：化学工业出版社， 20092 姚兴佳、宋俊 主编，风力发电机组原理及应用(第 2 版). 北京：机械工业出版社，20093 芮晓明等 主编，风力发电机组设计. 北京：机械工业出版社， 20104 吴双群 主编，风力机空气动力学. 北京：北京大学出版社， 20095 叶杭冶 主编，风力发电系统的设计、运行与维护. 北京：电子工业出版社， 20106 CAD 绘图的相关资料及其他风力发电相关书籍、技术文章等4课程设计指导书课程设计成绩评定表目录设计任务书第一部分：概述1.1 风力机简介 1.2 风力机的基本原理1.3 风力机翼型叶片优化设计的重要性1.4 叶片设计的主要方法1
7、.5 风力机翼型介绍（必须介绍本课程的翼型）1.5 本课程的主要工作第二部分：风力机风能利用系数的优化2.1 理论基础及计算思路简述基于动量-叶素理论，采用试算法： )()(npnpp RcRcFaRc 、采用分段计算代替实际积分。2.2 计算过程1、初步确定风轮半径 R(一般进行取整处理)?)(213123RvcAvcPpp其中： 风能利用系数，先进行假设；pc风密度， (完全气体的克拉柏隆方程) ， kg/m3 ( 给出) ；TRg/ T、p风力机来流风速，m/s (给出)。1v2、确定风力机的旋转角速度 及叶尖速比(1) 306nR(2) 1v其中，n风力机转速，r/min (给出) 。
8、3、叶片半径方向分段：如将 R 分成 10 段，每段 0.05R，即取中心位置计算00.1R、 0.1R0.2R、0.2R0.3R(Wilson 理论)Rp drFac0342)(185将上述积分进行数值处理，即分段求和计算：201340342 )()(8)(18i iiiRp rFraRdrFac其中， 轴向诱导因子、切向诱导因子；)(iira、考虑叶尖损失的修正系数，称为普朗特叶尖损失因子；)(irF风力机的叶尖速比 (已算出 )。注：分段计算过程举例，以叶片半径方向 00.1R 段为例：(1) 00.1R 段：取中心值 r1=0.05R联立轴向诱导因子 、切向诱导因子 的关系式：aa(3
9、-1)()()( 2iiiii rr( 时 的关系最佳值) (3-2)1)(43iiarmaxpcii、其中， 局部叶尖速比， ，如本段计算中 。)(ir1vrii1vr计算过程中：1) 先联立式(3-1)和式(3-2)得：(3-3)0)(1)()(4312iii rarra令 (3-4)(1)(2iii rrG2) 采用试算及线性插值等利用式(3-3)、(3-4) 计算轴向诱导因子 a，并进一步利用式(3-2)获得切向诱导因子 。a3) 计算入流角 ：i)()(1iiii raratg4) 计算普朗特叶尖损失因子 ：iF)arcos(2)(irfie其中， iiirRZfsnZ风力机叶片数，
10、一般取 Z=3。5) 确定风能利用系数 ：pc6，如：对于 00.1R 段有，342)(1)(8iiipi rFarRciraRcp3114218一直计算 10 段，分别获得 10 段的风能利用系数 。pc先列表，如表 2-1Rr/aaFpc注：需要给出“表头” ，且表格为“三线表” 。然后，计算各段的风能利用系数之和，即 10ipic4、计算所得的风能利用系数 与之前所假设的 值相比较，考察其误差，如果相对误差ppc小于 1%，认为上述计算有效，从而获得本次设计的风力机风轮半径 R 及风能利用系数 。pc第三部分：风力机叶片扭角及翼型弦长的优化1、最佳攻角 的确定op根据叶片翼型最大升阻比
11、来确定最佳攻角 。本次设计在整个叶片半径取同一maxop最佳攻角，考虑叶片扭角 后，可获得叶片不同半径处翼型的实际攻角 ，即)(ir )(ir)(iop1) 本次设计所选用的叶片翼型及其性能曲线已在第三部分给出。列出所选翼型的 、lc、 等曲线。dc查性能曲线可得，在最大升阻比 时的攻角 。max?op2) 桨距角 的确定)(ir风力机叶片不同半径处翼型的入流角 已在第二部分确定，进一步计算桨距角)(ir，即)(i opiiiopir)(3) 扭角 的确定ir以叶尖处桨距角 为基准，叶片各段桨距角与其之差，即得不同半径处叶片扭角 ，10 )(ir即 10)(iir扭角确定后，可认为不同半径处的
12、翼型攻角为：iopi7其中，叶尖处扭角 。012、最佳弦长 的确定)(irc1) 理论基础根据风力机的叶素-动量理论，可得：(4-1)inirca2s4)(1(4-2)iito其中， 叶片局部实度， ；)(iriirZc2)(、 Lilenthal 气动系数，前者为轴向气动系数；后者为切向气动系数，即incit iidiilinrcsn)(os)(t rcon轴向诱导因子及切向诱导因子。a、联立式(4-1) 与式 (4-2)，并结合最大风能利用系数 时的 关系式，即maxp、)1(43)iira同时按阻力损失最小，即取 考虑，进一步可得出叶片不同半径处的弦长 表达式0dc )(irc为： li
13、ii Zcrraosn)(82考虑叶尖损失，即将普朗特叶尖损失因子补充进去，可得出：(4-3)liiiii ZcrrFac osn)(1)(22按式(4-3) 即可计算出不同半径处的弦长 。c2) 获得升力系数 ：l根据叶片翼型性能曲线 可查得不同半径翼型所处攻角下升力系数 。其中，lc )(ilrc攻角 取为不同半径处的实际攻角，即 ；普朗特叶尖损失因子 、 )()(iopirriF轴向诱导因子 、入流角 前面已获得；叶片数 。)(irai3z3) 获得叶片扭角及弦长的变化规律先列表，如表 4-1。Rr/( 0) (m)c注：需要给出“表头” ，且表格为“三线表” 。然后，做出相应的曲线，即 及 曲线等(手工绘制) ，列于附录。Rrc/r/第四部分：设计总结主要对本次设计的主要方法、设计思路及优化设计结果进行小结。后记主要介绍自已对本次设计的体会和想法等。8参考文献附录1、风力机叶片的翼型 CAD 绘图。2、叶片扭角及弦长随半径的变化曲线( 、 及 曲线) 手工绘制。Rrcp/rc/Rr/3、绘图及曲线绘制基本要求：(1)按机械制图标准绘制，包括标注、线条、圆弧、剖面线及制图说明等。(2)制图及曲线等需要保持清洁，不能随意勾画。910附： NACA4412 翼型的几何参数及其相关性能曲线11
