风力发电技术课程设计教学过程探讨

陈洪林

1 课程设计的必要性

在学习了《风力发电技术》这门课之后，学生初步掌握了风力机结构组成和工作原理，重点掌握了风力机叶片设计的理论，为了将理论知识转化为实际的动手能力，开设了课程设计。学生通过设计风力机叶片，可以熟练掌握风力机叶片设计原理，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，掌握风力机叶片设计及制造知识，学习并熟悉SolidWorks 等工程软件进行风力机叶片的三维建模，树立学生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[1]。

2 课程设计环节教学过程

《风力发电技术》课程设计要求学生在一周时间内完成，在此期间，学生在接到课程设计任务书后，要根据任务书的内容要求，完成包括气象资料收集，风力机叶片参数的计算和风力机叶片三维图形的绘制等。本课程设计任务有一定难度，部分学生反映虽然时间紧张，但是通过课程设计基本掌握风力机叶片设计的相关知识，学会了解决比较复杂工程问题的思路和方法，收获很大。本次课程设计的过程如下：

2.1 课程设计任务书的编写

课程设计任务书在课程设计开始前下发给学生，任务书包含了本次课程设计要求学生完成的任务内容，课程设计的基本要求、工作计划的进度安排和评级方式等，如果有必要，在任务书中要完成对班级人员的分组，保证每组一个题目，每个人数据不能重复。任务书要逻辑清晰，结构严谨，内容完备，保证同学们能够准确理解课程设计题目意义，在老师的指导下，能够比较顺利的完成课程设计。

风力机叶片设计流程图如下：

图1 风力机叶片设计流程图

2.2 气象资料的收集

如图1 所示，风力机叶片设计的开端有两个，分别是对当地风资源进行评估和确定风力机的额定功率，其中风资源的评估要必须要收集风力机当地的最少一年时间内的测风数据。但是，由于国内目前的气象数据基本上都在气象局，而对于风电企业来说，风资源数据相当于资产，因此作为学生很难获取。学生主要通过网上查询风力机设计当地的风资源数据，再对数据进行处理，估算出平均风速、最大风速和有效风能密度。

2.3 风力机叶片设计理论和计算

风力机叶片主要参数包括风轮直径、轮毂直径、叶片长度、叶片数、叶片沿展向的各个翼型弦长、翼型扭角、叶片安装角以及符合风力机叶片空气动力学的翼型选择等。陈启卷[2]总结了风轮直径、叶片数风能利用系数等参数的选择和计算方法，并总结了利用Wilson 理论，计算叶片安装角和翼型弦长的方法；李伟[3]通过系统的比较了风力机叶片空气动力学设计中的Glauert 方法和Wilson 方法，由于Wilson 方法在Glauert 方法的基础上引入了叶片尖端涡流损失和升阻比对叶片最佳性能的影响，因此成为国内最常用的风力机叶片设计理论。根据Wilson 理论或者Glauert 理论，利用MATLAB 软件可以精确得到叶片沿展向的弦长分布和安装角随叶片直径方向的数据分布[4]。

风力机叶片翼型的种类有很多，选择翼型的时候要综合考虑翼型对升阻比的影响，对风力机失速性能的影响以及最大限度地获取风能。翼型的选择和数据获取有两种方法，第一种方法是利用profili 航空翼型设计软件，选择比较适合风力机的翼型，或者设计新翼型，然后所选翼型的TXT 数据，第二种方法是登录airfoil 网站，选择合适翼型，获取翼型的TXT 数据。利用Excel软件对翼型数据进行简要处理，删除不必要的x 和y 轴名称，增加z 轴数据，这样就可以利用SolidWorks 软件，绘制翼型轮廓曲线。利用以上两种方法都可以同时获得所选翼型的升阻比随攻角的变化关系，对于分析翼型的空气动力性能有重要作用。获得翼型的TXT 数据是对叶片进行是三维建模的必要条件[5]。

2.4 风力机叶片的三维建模

风力机叶片是一个平滑的流线型弧面，每一个断面必须均匀过渡，三维建模可以通过SolidWorks、AutoCAD 等软件实现，本文以SolidWorks 为例，大致可以分为两步：

（1）基准面上翼型轮廓绘制：将风力机叶片沿展向从叶根到叶尖平均分成至少15 等份，选定最佳叶尖速比λ 为7，计算得出每个截面的比速λi，再通过计算每个截面翼型的弦长和扭角，然后在每个基准面上输入翼型数据，生成15 个基准面上翼型组，如图2 所示。

图2 基准面翼型轮廓

（2）叶片实体建模：在完成每个基准面上翼型轮廓曲线绘制后，将每个翼型轮廓曲线依次连接，选择SolidWorks 的“凸台/放样”工具，通过放样，生成叶片的实体三维模型，根据实际情况，需要对叶片轮廓进行修整，使叶片轮廓成圆滑的流线型。最后对叶片的叶尖和叶根进行优化处理，完成叶片的三维建模。如图3 所示。

图3 风力机叶片三维模型视图

3 结论与展望

在课程设计的过程中，需要严格要求学生按照风力发电机叶片设计流程，分步骤完成所有的设计过程，在此过程中学生可以比较系统地掌握风力机叶片设计过程重要参数的选择方法，风力机叶素弦长、扭角和翼型的计算方法，最后通过SolidWorks 等三维设计软件完成对叶片的三维建模。学生在掌握了叶片的建模后，可以在以后更进一步研究叶片内部结构和制造方法，对叶片进行载荷分析，为下一步的学习和工作奠定基础。