风力机叶轮设计与叶片空气动力学仿真分析

1、肃风力机叶轮设计与叶片空气动力学仿真分析莀一、概述腿作用在叶轮上的空气动力是风力机最主要的动力来源，也是造成各个零部件的主要的载荷来源。要计算风力发电机组的载荷就必须先计算出空气作用在叶片上的作用力。除了气动载荷，风力机叶片在风机工作中受到的作用力主要还受到惯性力，特别应该考虑重力、离心力和陀螺力等。薄风力机的叶片设计分气动设计和结构设计两大部分，气动性能计算为气动设计结果提供评价和反馈，并为叶片 的结构设计提供气动载荷等原始数据。气动性能计算的准确性，直接影响叶片的气动性能和结构安全，从而影响风 力机的运行效率和运行安全。蒂二、风力机叶片几何参数膀1 .风力机叶片翼型几何参数和气流角羆翼型是

2、组成风力机叶片的基本元素，因此，翼型的气动特性对风力机的性能起着决定性的作用。羇以一个静止的翼型为例，其受到气流作用，风速为V,方向与翼型截面平行。肇图1翼型的几何参数和气流角肅翼型的尖尾（点B）称为后缘。薅圆头上的A点称为前缘，距离后缘最远。蚁I 翼型的弦长，是两端点 A、B连线方向上翼型的最大长度;腿C翼型最大厚度，即弦长法线方向之翼型最大厚度;膃C 翼型相对厚度，C，通常为10%15%;羄翼型中线一从前缘点开始，与上、下表面相切诸圆之圆心的连线，一般为曲线;莁f翼型中线最大弯度;羆f 翼型相对弯度,蒄帕零升力角，它是弦线与零升力线间的夹角；肁0 升力角，来流速度方向与零升力线间的夹角。羈

3、a = + W ( 2 - 1)蚄此处00是负值，o和是正值。袃袂 聿2. .NACA四位数字翼型族肇NACA四位数字翼型分为对称翼型和有弯度翼型两种。对称翼型即为基本厚度翼型，有弯度翼型由中弧线与基 本厚度翼型迭加而成。中弧线为两段抛物线，在中弧线最高点二者水平相切。四位数字翼型的表达形式为NACAXXXX第一个数字表示最大相对弯度的百倍数值 ；第二个数字表示最大弯度相对位置的十倍数值 ；最后两个数 字表示最大相对厚度t的百倍数值。例如NACA2410翼型，其最大相对弯度为 9%;最大弯度相对位置为30%;最大相对 厚度为18%。节祎图2攻角a =10.5时叶片受力MAC A 64冶iM朋

4、thickness 9.03% 酬 29.4% of the chordMas camber 5 07% atll 0% of the chordRe 30000 =R* WQOT =Re 40000 =Re 00(X -蚂聿袈芃U.&7D.D&0.09图3叶片升力系数和阻力系数0.1 D、叶轮CFD仿真角a7*装角pE施转平面气相角I回转轴賺衿图4叶片在气流中的受力分析罿 蚆已知条件:袄风速v=8m/s ,叶轮外径D=250 mm叶轮厚度b=40 mm, 轮毂直径d=100 mm蕿 若：叶轮转速n=200rpm ,螇线速度 u= n Dn/60=2.6 m/s ;螄则气相角 l=arctg(

5、v/u)=arctg(8/2.6)=72 ;芄选翼型为NACA2410时，攻角a =10。，可得：安装角 3 =I- a =72-10=62;芀又若：线速度u= 8m/s,则：转速n=60u/ n D= 611 rpm螈I=arctg(v/u)=arctg(8/8)=45 ; 3 =I- a =45-10=35膆蚃表1: flue nt仿真实验数据肀 Blade衿5h芅6h肃7h螀9蚇9 h蚇12h薂18h薁3螈30oc 螆35羁40芁62蝿45袄7 4蚅40s肂74薇74芆45 肄45“ 螂74蚈PressureDifferen ces (Pa)莅0.27蒃0.255芈0.326蚀0.128

6、螇0.219羃 0.130罿 0.382蒇0.175袅0.097莂 0.283蝿0.3227薈0.212羄 Forces (N) X-C螁1.6葿1.52蚀1.877莆 0.66-+- 芁1.238芀 0.514莇 2.230.9990.5931.5240.6470.647Moment (NM )-0.062-0.07-0.07-0.047-0.075-0.036-0.09-0.025-0.058-0.105-0.122-0.071注：h表示 d=100mm，否则 d=150mm ;四、理论计算叶片升力 Fy=CI X p v2S/2 =1.1 X 1.225 X 82X 0.003 =0.1

7、2kg五、分析结论：1、叶片越多，扭矩越大；2、安装角为3045 时，扭矩较大，且无明显差异；3、由于叶片尺寸较小，所以叶轮的气动特性差异不明显，翼型影响也较小。附录、各叶轮仿真实验详细数据1、5叶片,(1)安装角30Pressure Differences (pascal)From Boun daryTo Boun daryValuein letoutlet0.270037912556Pressure Differences (Total) (pascal)From Boun daryTo Boun daryValuein letoutlet0.266688413503Velocities

8、(m/s)Boun dary or Regi onAverageMinimumMaximumoutlet8.000006616387.542238095278.03176144015in let8.08.08.0hub0.00.00.0blade0.00.00.0flow-regi on7.998870189290.013.0147641438Pressures (pascal)Boun dary or Regi onAverageMinimumMaximumoutlet-0.509536461268-0.837022364140.0in let-0.239498548712-0.361808

9、7172510.113551989198hub-6.11743633104-115.75695037841.5277099609blade-10.1038917169-367.303131104129.74105835flow-regi on-0.474842265349-367.303131104129.74105835Pressures (Total) (pascal)Boun dary or Regi onAverageMinimumMaximumoutlet38.693813800734.298165131338.9829790228in let38.960502214238.8381

10、92045739.3135527521hub4.48389157665-90.802159013746.5633526369blade3.19278411713-360.95963736155.937268562flow-regi on38.7416665659-360.95963736155.937268562(2)安装角40Pressure Differences (pascal)From Boun daryTo Boun daryValuein letoutlet0.326839743087Pressure Differences (Total) (pascal)From Boun da

11、ryTo Boun daryValuein letoutlet0.321891636562Velocities (m/s)Boun dary or Regi onAverageMinimumMaximumoutlet8.000010273617.519436261448.03983576077in let8.08.08.0hub0.00.00.0blade10.00.00.0blade0.00.00.0flow-regi on7.997566485460.014.35304269Pressures (pascal)Boun dary or Regi onAverageMinimumMaximu

12、moutlet-0.441587868739-0.6491182446480.0217580795288in let-0.114748125652-0.2611950337890.32120808959hub-5.23889354767-129.04757690441.2422904968blade1-10.5344783064-285.36633300841.6371612549blade-9.45141871405-331.97903442441.6660194397flow-regi on-0.405796904955-331.97903442441.6660194397Pressure

13、s (Total) (pascal)Boun dary or Regi onAverageMinimumMaximumoutlet38.763361000734.321014632239.1302007179in let39.085252637338.938805729239.5212088525hub5.66634001659-112.10871334346.2597114622bladel2.46701758788-242.96583283550.9565993154blade3274.5836556154.2874234729flow-regi on38.808

14、7641782-274.5836556170.3868095757Mass Flow Rates (kg/s)Boun daryValueoutlet-61.456882in let61.456909Net2.70000000029e-005Forces (N)Boun daryX-Comp onentY-Comp onentZ-Comp onenthub0.45032520.00218557640.0057531649blade10.293598390.165612240.0199314blade1.1374126-0.15796758-0.012916237Net1.881336190.00983023640.0127683279X velocl ty m/s3.待餅*以下无正文仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。For personal use only in study and research; not for commercial use.仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung$ommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l e tude et la recherche uniquement