风能汽车叶片设计

1、风能汽车叶片设计学校：华南农业大学学院：工程学院班级：12级能源与环境系统一班学号：201231170124姓名：余志华摘要 风能为重要的能量来源，风能设施也日趋进步，已经大量生产降低成本，在适当地点，风力发电成本已低于其它发电机。风能设施多为不立体化设施，可保护陆地和生态，所以说风力发电是可再生能源，很环保，很洁净。风力汽车，是指汽车利用风能可以根据风的方向自动行驶，驾驶员也可以通过驾驶舱内的特别配置来手动调节其车尾的“帆”，进而改变车辆的行驶方向。本课题以风能汽车叶片设计为主题，主要研究风能汽车叶片的设计，性能分析等等。关键词：风能 汽车 叶片1绪论1.1本论文研究背景 风能就是空气流动所

2、产生的动能。大风所具有的能量是很大的。风速910m/s的5级风，吹到物体表面上的力，每平方米面积上约有10kg。风速20ms的9级风，吹到物体表面上的力，每平方米面积可达50kg左右。汹涌澎湃的海浪，是被风激起的，它对海岸的冲击力是相当大的，有时可达每平方米2030t的压力，最大时甚至可达每平方米60t左右的压力。 风不仅能量是很大的，而且它在自然界中所起的作用也是很大的。它可使山岩发生侵蚀，造成沙漠，形成风海流，它还可在地面作输送水分的工作，水汽主要是由强大的空气流输送的，从而影响气候，造成雨季和旱季。专家们估计，风中含有的能量，比人类迄今为止所能控制的能量高得多。全世界每年燃烧煤炭得到的能

3、量，还不到风力在同一时间内所提供给我们的能量的1。可见，风能是地球上重要的能源之一。 合理利用风能，既可减少环境污染，又可减轻越来越大的能源短缺的压力。 自然界中的风能资源是极其巨大的。据世界气象组织估计，整个地球上可以利用的风能为2X107MW。为地球上可资利用的水能总量的10倍。1.2国内外研究技术 直至现在，国外有几家汽车公司已经研制出几款概念风能汽车。像美国发明家里克·卡瓦拉罗发明了一款独特的风力驱动汽车，在顺风状态下其速度竟比风速还要快。该设计理念源自“DWFTTW模型”，即"DownWindFasterThanTheWind"（顺风而行速度比风快）。另

4、外，卡瓦拉罗得到了谷歌公司和乔比能源公司的赞助，他在圣乔治州大学航空系建造这个风力汽车，该超轻型汽车采用3轮驱动，带有5米高的风力螺旋桨推进器，它主要采用泡沫材料制成，并模拟了方程式1赛车的空气动力学设计，螺旋桨推进器是使汽车在顺风状态下超过风速的关键性设计，该汽车的速度达到风速的2.86倍，相当于62公里/小时。 还有英国的一位动力工程师理查德·简金斯的“绿鸟”风力汽车是世界上最快的风力汽车。它在风速仅为每小时48.2公里的情况下，创造了每小时行驶202.9公里的世界纪录。与传统的风帆汽车不同的是，“绿鸟”采用一种钢制驱动翼。这种驱动翼能够以与机翼同样的方式产生向上提升的动力。整辆

5、风力汽车几乎全部采用碳复合材料，唯一的金属部件就是翅膀和车轮的轴承。据简金斯解释，这种空气动力学设计和较轻的质量能够让“绿鸟”轻易达到风速的35倍。 但中国在这方面没有得到很大的发展，相对于一些发达国家仍然是处于非常落后的局面中国农民唐振平发明了一辆风力汽车你，这辆车花了他三个月的时间， 车身1米高，3米长，靠风力辅助驱动不是完全靠风力驱动。这辆车的最高时速达到了 90mph (140kmph).2本课题研究内容 在风力发电机中叶片的设计直接影响风能的转换效率，直接影响其年发电量，是风能利用的重要一环。本论文主要研究风能汽车叶片设计的叶片设计模型、性能计算、有限元动力学分析。其主要研究内容如下

6、：1 叶片的设计理论。先后提出了简化设计理论SChmitz理论Glauert模型和Wilson模型。其中简化设计理论是基于圆盘理论，原理及模型最简单，但因简化因素较多，故设计精度较差；Schmitz理论、Glauert模型和Wilson模型基于涡流理论，设计精度较高，但模型较复杂。现在设计多采用基于涡流理论的设计模型。2 叶片的实体建模采用近似建模。由于叶片一般是不规则的扭曲结构，精确实体建模有一定困难，故现多采用近似线性修正模型代替精确的实体模型进行建模和分析。3 风能汽车叶片气动性能计算。现多采用Wilson模型进行计算，然后经过各种性能修正系数进行修正。4 叶片动力学分析，叶片动力学分析

7、集中在模态计算。但由于建模技术限制，现多采用简化实体模型进行分析，即采用线性化处理的翼型部分的叶片代替整个叶片进行叶片有限元模态分析，结果具有一定的误差。 3风能汽车叶片设计基础3.1风能的计算由流体力学可知，气流的动能为式中 m气体的质量； V气体的速度。 设单位时间内气流流过的截面积为 S 的气体的体积为 V，则如果以 表示空气密度，该体积的空气质量为这时气流所具有的动能为 上式即为风能的表达式。 在国际单位制中， 得单位为 kg/m3;v 的单位是 m/s；E 的单位是 W。 从风能公式可以看出，风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流速度的立方成正比。其中 和 v 随地理位置、海

8、拔、地形等因素而变。 3.2贝茨理论 风力机的第一个气动理论是由德国的贝茨（Betz）于 1926 年建立的。 贝茨假定风轮是理想的，即它没有轮毂，具有无限多的叶片，气流通过风轮时没有阻力，可以说，这样的风轮是一个纯粹的能量转换器；此外，假定气流经过整个风轮扫掠面时是均匀的，并且气流通过风轮前后的速度为轴向方向。 现研究理想风轮在流动的大气中的情况，如图所示。并规定如下： v1距离风能汽车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。 设通过风轮的气流其上游截面为 S1，下游截面为 S2。由于风轮的机械能量仅由空气的动能降低所致，因而 v2必然低于 v1，所以通过风

9、轮的气流截面从上游至下游是增加的，即 S 2大于 S 1。如果假定空气是不可压缩的，由连续条件可得： 风作用在风轮上的力可由 Euler 理论写出： 风轮吸收的功率为：此功率是由动能转换而来的。从上游至下游动能的变化为：令式（3-1）与式（3-2）相等，得到作用在风轮上的力和提供的功率可写成对于给定的上游速度 v2，可写出以 v 2为函数的功率变化关系，将上式微分得易得最大功率将上式除以气流通过扫掠面 S 时风所具有的动能，可推得风能汽车的理论最大功率（或称理论风能利用系数） 这就是贝茨理论的极限值。它说明，风力机从自然风中所能索取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。

10、3.3叶素理论叶素理论的基本出发点是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素。假设在每个叶素上的流动相互之间没有干扰，即叶素可以看成是二维翼型，这时，将作用在每个叶素的力和力矩沿展向积分，就可以求得作用在风轮上的力和力矩。 对每个叶素来说，其速度可以分解为垂直于风轮旋转平面的分量Vx0和平行于风轮旋转平面的分量Vy0 ，速度三角形和空气动力分量如图 所示。图中：角为入流角， 为迎角， 为叶片在叶素处的几何扭角。 合成气流速度V0引起的作用在长度为 dr 叶素上的空气动力dFa 可以分解为法向力dFn 和切向力dFt ，dFa 和dFt 可分别表示为式中 空气密度； c叶素剖面弦长；Cn

11、、Ct 分别表示法向力系数和切向力系数，即 这时，作用在风轮平面dr 圆环上的轴向力可表示为 式中 B叶片数。 作用在风轮平面dr 圆环上的转矩为 3.4动量叶素理论为了计算作用在风轮叶片上的力和力矩，必须计算风轮旋转面中的轴向诱导因子 a 和周向诱导因子 b，这就需要用动量叶素理论来求解。 假设 a 和 b 的初值，一般可取 0； 计算入流角 计算迎角 根据翼型空气动力特性曲线得到叶素的升力系数 Cl和阻力系数 Cd； 计算叶素的法向力系数 Cn和切向力系数 Ct 计算 a 和 b 的新值 比较新计算的 a 和 b 的值与上一次的 a 和 b 值，如果误差小于设定的误差值（一般可取 0.00

12、1），则迭代终止；否则，再回到继续迭代。 需要指出的是：当风轮叶片部分进入涡环状态时，动量方程不再适用；这时，可用下面的经验公式对动量叶素理论进行修正。 威尔森（Wilson）修正方法 当 a0.38 时，将第步中的由代替。3.5叶片几何参数风轮叶片的平面形状一般为梯形，叶片有以下主要几何参数。 （1）叶片长度 叶片长度是叶片展向方向上的最大长度，用 L 表示。 （2）叶片弦长 叶片弦长是叶片各剖面处翼型的弦长，用 c 表示。叶片弦长沿展向变化，叶片根部剖面的翼弦称翼根弦，用 cr表示，叶片稍部剖面的翼弦称翼稍弦，用 ct表示。 叶片面积叶片面积通常指的是叶片无扭角时在风轮旋转平面上的投影面积

13、，用 Ab表示为 （4）叶片平均几何弦长 叶片平均几何弦长是叶片面积与叶片长度的比值，用非c表示为 （5）叶片扭角 叶片扭角通常指的是叶片的几何扭角，用 表示，它是在叶片尖部桨矩角为零的情况下，叶片各剖面的翼弦与风轮旋转平面之间的夹角。通常叶片扭角根部为-1012°，叶尖部为 0-2°，叶片扭角沿展向变化，叶片稍部的扭角比根部小。 （6）叶片轴心 通常风轮叶片的轴心位于叶片各剖面的 0.250.35 翼弦处，与各剖面气动中心的连线重合或尽量接近，以减少作用在轴心上的转矩。 （7）叶片桨距角 叶片桨距角通常指的是叶片尖部剖面的翼弦与旋转平面之间的夹角，用 表示；叶片各剖面的桨

14、距角是叶片尖部剖面的桨距角与叶片各剖面的几何扭角之和。 3.6风轮几何参数风轮由叶片和轮毂组成，风轮有以下几何参数。 （1）风轮叶片数 风轮叶片数十组成风轮的叶片个数，用 B 表示。 （2）风轮直径 风轮直径是风轮旋转时的风轮外圆直径，用 D 表示。 （3）风轮面积 风轮面积通常指的是风轮扫掠面积，用 A 表示。 （4）风轮锥角 风轮锥角是叶片与旋转轴垂直的平面的夹角，用 表示。锥角的作用是在风轮运行状态下，减少离心力引起的叶片弯曲应力防止叶片稍部与塔架碰撞。 （5）风轮迎角 风轮迎角是风轮旋转轴与水平面的夹角，用 表示。迎角的作用是防止叶片在静止情况下遭遇突风，叶片弯曲过大使叶片稍部与塔架碰

15、撞。风轮迎角必须在一定范围内，否则会使风轮在迎风平面内的投影面积过小，造成风轮整体效率降低。（6）风轮偏航角 风轮偏航角是来流速度在水平面上的分量与通过风轮旋转轴的铅锤面的夹角，用 表示。 （7）风轮实度 风轮实度是风轮叶片总面积与风轮扫掠面积的比值，用 表示 4风能汽车叶片设计4.1风能汽车空气动力设计参数 风能汽车空气动力设计的内容主要是确定风轮叶片的几何外形，给出叶片弦长、几何扭角沿展向得分布，以保证风轮有较高的功率系数。在进行风轮空气动力设计时，必须先选定下列技术参数。 4.1.1.叶片数 选择风能汽车叶片数时要考虑风能汽车性能和载荷、风轮和传动系统的成本、风力机气动噪声及景观效果等因

16、素。目前，水平轴风力发电机组都属高风速风机，风轮叶片一般是 2 片或 3 片，而低风速风机则采用 4 叶片。 风轮叶片实度即风轮叶片数对风能汽车吸收风能效率是重要因素。对于偏低风速情况，叶尖速比低，只有增加叶片实度即增大叶轮扭矩才能增大风能转换效率。这将会使风能汽车具有更大的市场，增强风能汽车整体的市场竞争力。 4.1.2.风轮直径 风轮直径决定于风能汽车的额定功率，功率系数、传动系统及发电机的效率等因素有关。风力设计时，通过计算选定一个风轮直径。 其中 P风能汽车输出功率； 空气密度，一般取 1.225kg/m3； Vr 风能汽车额定速度； 风轮直径； 风轮功率系数，一般取 0.350.45

17、；1 传动系统效率； 4.1.3.额定风速 风能汽车额定风速与运行地区的年平均风速和风速分布状况直接相关。本文的设计出发点为满足占全国面积 52%地域的风能较丰富区和可利用区。因此设计启动风速为 3m/s,额定风速为 8m/s。而一般高速风机启动风速在 34m/s,额定风速在 10.5m/s。 4.1.4.叶尖速比 叶尖速比是风能汽车设计时的重要参数，叶尖速比不仅影响叶片空气动力性能，而且还和风能汽车其他特性有关。现代风机希望叶尖速比尽量大一些，叶尖速比大意味着风轮转速增加，这样，一方面齿轮箱的增速比可以减少，另一方面风轮产生相同功率时的转矩要小，相应的主轴和发电机的重量可以减轻；还有随着叶尖

18、速比的增加，使风轮实度减小，叶片材料减少，成本降低。但是，如果叶尖速比太高，则会给细长的叶片加工带来许多复杂的技术问题。一般在中等尖速比范围内风轮达到最大功率系数，因此，从风力机能量输出的角度考虑，没有必要选择太大的叶尖速比，而在偏低风速风况下，叶轮转速更是不可能太高，所以叶尖速比也不能选择高尖速比型。 一般两叶片风力机的叶尖速比在 910 之间，三叶片风力发电机组的叶轮尖速比在 68 之间。而偏低风速发电的尖速比应选择为 56。 4.1.5.风轮转速 当风能汽车额定功率和风轮直径确定后，增加风轮转速，可以减小风轮转矩即减小作用在风能汽车传动系统上的载荷和降低齿轮箱的增速比。但是，当叶片弦长减

19、小后，为了保持叶片一定的模态，叶片表层的厚度要增加，叶片的重量也相应增加。另外，风轮转速还与风轮叶尖速比的选取及叶片空气动力噪声的要求相关。因此，在确定最佳风轮转速时，要对上述几个方面综合考虑。4.2叶片设计 叶片的基本设计流程如下图:确定各叶素弦长、安装角选取叶片翼型确定叶片数目确定风能汽车的叶尖速比计算风轮直径根据实际情况，确定风能汽车功率，平均风速。窗体顶端212E =mv212E =mv212E =mv窗体底端 叶片核心设计包括：计算风轮直径 D,确定叶片数 B，选取各叶素翼型，计算各叶素的弦长 C 和安装角。 4.2.1汽车额定功率的确定功率是指物体在单位时间内所做的功。功率越大扭力越大，汽车的拉力也越高，常用最大功率来描述汽车的动力性能。我们先来了解发动机的额定功率，一般来说这是指发动机携带的必要的机件进行运转时发生出的最大功率。发动机的有效功率是指曲轴对外输出的净功率。这里以180匹马力为额定功率为例子，其中140马力=1029W，设平均车速也就是平均风速为15m/s.4.2.2风轮直径的确定由得到，式中 CP=0.4； =1.225kg/m3；Vr=15m/s；12 = ； 设 =0.83，即风能汽车效率，即汽车传动效率和发电机的总效率，初步设计时常选取 0.81 左右，此效