風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)及Solidworks軟件建模過(guò)程研究

曲宏偉，張 崇

(1.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012;2.吉林電力股份有限公司四平熱電分公司，吉林 四平 136000)

目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率輸出和負(fù)載主要是由風(fēng)產(chǎn)生的氣動(dòng)力來(lái)決定［1］。風(fēng)輪是發(fā)電機(jī)組最重要的部件之一，其主要功能是將風(fēng)中所具有的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械能，其轉(zhuǎn)化效率的高低直接影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能，而葉片設(shè)計(jì)是風(fēng)輪設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。在葉片設(shè)計(jì)方面，國(guó)內(nèi)大多數(shù)基于葛勞渥模型和威爾森模型設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)［2］用MATLAB編程設(shè)計(jì)了小型風(fēng)力機(jī)葉片;文獻(xiàn)［3］以年能量輸出最大為優(yōu)化目標(biāo)，采用復(fù)合形法搜索最優(yōu)點(diǎn)建立了風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)模型;文獻(xiàn)［4］針對(duì)葉輪與氣流之間的相互作用進(jìn)行研究，研究方法主要有葉素——?jiǎng)恿坷碚摲椒āu尾模型方法和CFD方法。上述風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)記憶建模的研究都是基于計(jì)算機(jī)工具來(lái)完成的，很難理解其內(nèi)部具體的完成過(guò)程，且實(shí)際建模過(guò)程的文獻(xiàn)很少、不具體。因此，本文對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)記憶建模計(jì)算機(jī)編程過(guò)程進(jìn)行細(xì)化和分解，利用葉素——?jiǎng)恿坷碚撝v解葉片詳細(xì)建模過(guò)程，借助于計(jì)算機(jī)Solidworks軟件［5］對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行實(shí)物建模，闡述了整個(gè)風(fēng)力機(jī)葉片從設(shè)計(jì)到建模的全過(guò)程。

1 風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 風(fēng)力機(jī)參數(shù)確定

由風(fēng)力機(jī)的相關(guān)知識(shí)得風(fēng)力機(jī)輸出功率公式為

經(jīng)過(guò)對(duì)公式(1)變換，可得:

式中:P為風(fēng)力機(jī)的額定功率2 MW;空氣密度ρ=1.225 kg/m3;額定風(fēng)速Vr=7.6 m/s，風(fēng)能利用系數(shù)Cp=0.38;風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整機(jī)效率η=0.92×0.95=0.874。經(jīng)計(jì)算，得到風(fēng)力機(jī)直徑D=75.5 m。

1.2 葉片翼型選擇

本文選取NACA63418翼型作為研究對(duì)象。該翼型的氣動(dòng)性能數(shù)據(jù)可以通過(guò)PROFILI導(dǎo)出，得到攻角－升力系數(shù)、攻角－阻力系數(shù)以及攻角－升阻比的關(guān)系。根據(jù)所給數(shù)據(jù)以及所做圖像，可得翼型最佳攻角為α=5°，此時(shí)翼型的升力系數(shù)CL=0.904，阻力系數(shù)Cd=0.007。再通過(guò)NACA Aerofoil Sections軟件生成NACA63418的翼型圖，翼型形狀如圖1所示。

圖1 NACA63418翼型圖Fig.1 NACA63418 airfoil diagram

輸出翼型的弦長(zhǎng)為單位長(zhǎng)度時(shí)的平面坐標(biāo)值，本文輸出為翼型的201點(diǎn)橫縱坐標(biāo)值。

1.3 基于葉素－動(dòng)量理論的計(jì)算方法

本文基于葉素——?jiǎng)恿坷碚摚⑤o以Prandtl葉尖損失修正，對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)性能進(jìn)行模擬研究。結(jié)合動(dòng)量理論和葉素理論，計(jì)算風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面中的軸向誘導(dǎo)因子a和周向誘導(dǎo)因子b:

式中:B為葉片數(shù);c為弦長(zhǎng);φ為升力角;r為葉素位置距葉根距離;Cn為葉輪平面法向力系數(shù);Ct為葉輪平面切向力系數(shù)。

葉素理論假設(shè)葉展方向的葉素互不干擾，葉素可以作為二維翼型來(lái)進(jìn)行計(jì)算。但實(shí)際葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)沿著葉展方向會(huì)產(chǎn)生二次流動(dòng)，葉尖部分的葉素由于空氣在葉尖部分脫落使三維作用更加明顯，所以葉尖損失不容忽視。基于二維流動(dòng)，Prandtl對(duì)葉尖的流動(dòng)做了研究，定義葉尖損失修正系數(shù)Ftip為

則式(3)、式(4)可變形整理為

即可得到修正后的數(shù)值［6］。

1.4 基于Visual C++軟件編程模擬計(jì)算

本文運(yùn)用Visual C++軟件進(jìn)行編程并進(jìn)行舉例運(yùn)算，利用所編的程序可以算出軸向誘導(dǎo)因子a和周向誘導(dǎo)因子b。

作用在整個(gè)風(fēng)輪上的軸向推力可表示為

作用在整個(gè)風(fēng)輪上的轉(zhuǎn)矩可表示為

式中:T為軸向推力;M為轉(zhuǎn)矩;dM為微元轉(zhuǎn)矩;Ω為風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度;R為風(fēng)力機(jī)葉輪半徑長(zhǎng)。

通過(guò)計(jì)算整理得到如表1所示數(shù)據(jù)。

表1 翼型空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)Tab.1 Airfoil aerodynamic data

2 基于Solidworks軟件的風(fēng)力機(jī)葉片建模

2.1 基于Solidworks風(fēng)力機(jī)葉片斷面圖

葉片的每一段都是均勻過(guò)度的，利用計(jì)算所得數(shù)據(jù)通過(guò)CAD軟件模擬風(fēng)力機(jī)葉片每一分界斷面草圖，將這些草圖導(dǎo)入Solidworks軟件中進(jìn)行葉片初步建模［7］，得到風(fēng)力機(jī)葉片端面如圖2所示。

圖2 風(fēng)力機(jī)葉片斷面圖Fig.2 Wind turbine blade profile

2.2 Solidworks葉片放樣操作

將不同位置葉素進(jìn)行分別放樣，再將放樣結(jié)果葉素運(yùn)用Solidworks軟件中的“整合”功能［8］，將葉素進(jìn)行整合與連接，形成一個(gè)完整的葉片，這種放樣方法更貼近葉片的實(shí)際設(shè)計(jì)。在通過(guò)對(duì)圖2所示的葉片斷面進(jìn)行分段放樣后，可以得到葉根、第一段葉片以及葉中模型，如圖3、圖4所示。

圖3 葉根處以及第一段葉片模型Fig.3 Model of blade root and the first section blade

圖4 葉中段模型Fig.4 Leaf blade middle model

2.3 Solidworks葉片配合操作

將葉片各段放樣后的模型，運(yùn)用Solidworks中的“配合”功能進(jìn)行配合，可以得到終的葉片整體模型，如圖5、圖6所示，最終完成葉片的整體建模過(guò)程。

圖5 “配合”后的葉片整體模型圖Fig.5 Whole blade model diagram after“matching”

圖6 “配合”后的葉片整體模型圖Fig.6 Whole blade model diagram after“matching”

3 結(jié)論

1)基于葉素動(dòng)量理論的葉片氣動(dòng)性能設(shè)計(jì)所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)，雖然沒(méi)有基于渦流理論計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果精確［9］，但其通過(guò)考慮Prandtl葉尖損失后，仍然可以得到相對(duì)準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。而渦流理論則需要大量的流體力學(xué)知識(shí)以及多種方法的建模，計(jì)算量非常大。

2)通過(guò)Solidworks軟件建立葉片模型的方法有多種，因?yàn)槿~片每一段的葉素都會(huì)有變化，所以分段放樣所得到的葉片較為精確，即分段越多所得到的葉片就越精確。

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