风力发电机叶片设计及优化研究

任孔明

(河海大学 江苏南京 211100)

在诸多可再生新型能源的技术开发中，风力发电占据突出的地位，其具有重要的开发利用价值和良好的未来发展趋势，在21世纪得到前所未有的发展。随着生存环境的恶化，世界各国组织呼吁对新型环保绿色能源的大力开发利用，科学技术的进步和政府的大力提倡，极大地推动了风力发电技术的发展。

1 风力机叶片研究现状

1.1 叶片翼型

风能转换效率的影响因素有很多，空气掠过叶片翼型，其产生的升力将直接影响风能转换效率的高低。在诸多的叶片参数影响中，翼型是最重要的。翼型型号的选择对风力机的效率至关重要，翼型的选取应尽量使升阻比接近最大值，使其升阻比曲线受叶片数量或叶尖速比λ的影响也越小，这样才能保证叶片效率的最大化。

20世纪30年代后期，美国在翼型领域做了系统化的科学研究，提出了著名的NACA四位数翼型族和五位数翼型族。从四位数翼型的编号，即可直接看出翼型的某些几何特征参数：弯度、最大弯度位置以及厚度。[1]

1.2 叶片材料

叶片材料的刚度和强度是叶片材料各类参数中的关键。世界上常见的风力机叶片材质有：木制及布蒙皮材料、钢梁玻璃纤维蒙皮材料、玻璃钢复合材料、碳纤维复合材料。

玻璃纤维树脂复合材料具有比强度和比刚度高、可设计性强、成本较低、抗疲劳性能好、耐腐蚀性能好等独特优点，逐渐成为大中型风机叶片生产材料的首选。现代风机叶片的发展趋向为超大型化和轻量化，即在满足超大型叶片的同时也应保证叶片整体的重量较轻，因此玻璃钢复合材料将不再能满足现代新型风机叶片的性能需求。而碳纤维复合材料新技术的出现解决了这一难题，其表现出优良的物理性质和化学性质，迅速大量应用到了超大型风机叶片中。

1.3 叶片结构设计

风力发电机叶片结构设计旨在应用相关空气动力学和理论力学的理论基础，在同等条件下追求叶片重量的最小化，进一步寻求叶片扫风面积的最大化，增强叶片的捕风本领，从而提升风能利用效率。现代小型风力发电机叶片多为实心结构，现代大型风力发电机叶片则采用“型钢主梁+蒙皮外壳+填充物”的结构形式[2]。

1.4 本课题研究内容

本论文课题的研究内容是基于空气动力学的理论，研究风力发电机叶片的气动特性，使叶片风能利用系数最大化提高，从而提高风力发电效率，进一步带来巨大的社会和经济效益。本文拟以大型水平轴风力发电机为研究对象，结合动量理论、叶素理论等基本原理和算法，研究基于翼型空气动力学特性曲线分析风力机叶片设计的优化方法，进一步提高风力发电机的风能转换效率。

2 风力发电机叶片设计的基本原理

2.1 动量理论

动量理论作为风力机叶片设计的基本原理之一，在起动圆盘模型的理论基础和假设条件上，利用Bernoulli方程和能量守恒定律，计算出气体流速、和气流动量的变化率来探究力与来流风速之间的联系：

由Bernoulli方程计算，可以得到最终关系：

Uw=(1-2a)U∞

如图1所示，气流在流过制动盘时的能量损失表现在轴向和下风向。

图1 能量吸收制动桨盘和气流管状图

2.2 叶素理论

叶素理论的核心就是将风轮叶片理想模型化，将其细分成诸多叶素，对每个叶素掠过的圆环上做出基本假设：每个圆环都可作为一个独立的单元体，符合起动圆盘理论模型，以同样的方式运作。在同一个径向上，每个叶片元素的推力和转矩都与轴向和角动量的变化率相等。

分析发现:① 管道的变形是对称的,位移以纵向位移(y轴)为主,最大位置在对称面处;② 在埋地段,管道在上覆土体压力作用下发生了椭圆化形变,使得管-土接触部位出现了水平径向(x轴)变形,所敷设的土体在管道作用下也出现相应程度的下沉,逐渐变得更加夯实;③ 管道顶部底部受到的应力较大,是结构分析的控制性截面,比较危险也易于破坏;④ 管道的最大应力发生在埋地和悬空的交界面附近;⑤ 在埋地和悬空的交界面的管土下接触面处,土体应力和轴向变形都比较严重,是土体易坍塌的危险区.

2.3 动量-叶素理论

风轮旋转面中的两个重要参数是轴向诱导因子a和切向诱导因子a’，使用动量-叶素理论和能量守恒原理可以求解这两个参数。计算的初始条件是假设各个叶素单位之间相互不受影响，如图2所示，各圆环之间无径向干扰，因此轴向诱导因子a不沿径向方向变化。

叶片实度σ为叶片占(r)叶轮总面积(Nc)的比值，叶片弦长实度σr为某一半径处叶片弦长占叶轮圆周总长的比值，表达式如下[3]：

叶素-动量理论仅适用于轴向诱导因子α保持不变的情况下，因为此时旋转叶轮中各叶片长度相等。若叶片长度不相等则会导致各叶片在径向上相互干扰，将不再满足动量理论成立的基本条件。

图2 圆环形叶素单元

2.4 风力发电机优化设计方法：Glauert理论法和Wilson理论法

目前世界上风力机叶片气动外形设计上应用广泛、技术最成熟的两种算法分别为Glauert算法和Wilson算法。Glauert法基于叶素理论，多应用于现代水平轴风力发电机的设计优化。该理论在计算过程中引入轴向和切向诱导因子a、a’，但忽略了叶片翼型的阻力和叶梢损失对叶片气动性能的影响。[3]

Wilson方法在设计叶片时将叶梢损失和翼型的升阻比对叶片气动性能的影响考虑在内，还将风轮在非设计工况下的性能也考虑在内，所以说Wilson方法基于Glauert方法且比Glauert法计算更精确合理、应用范围更广。因此在风力发电机叶片的工程设计中广泛应用

3 风力发电机叶片翼型及气动系数的选取

3.1 翼型的几何参数

翼型的最前端点前缘点与最后端点后缘点之间的连线称为翼型的几何弦，翼型的弦长记为b，定义为前缘至后缘的距离或者前后缘在弦线上的投影之间的距离。[1]

如图3所示，翼型上、下表面用弦线长度的相对坐标的函数表示：

图3 翼型表面的无量纲坐标

图4 翼型的形状

3.2 翼型的空气动力学特性

3.21 作用在翼型上的气动力

为研究方便，均假设叶片静止处于均匀来流速度。翼型所受的力可以分解为上下表面两部分作用力。升力和阻力通常表为量纲一的升力系数Cl和阻力系数Cd，

3.2.2 升力系数和阻力系数变化曲线

叶片翼型的空气动力学特性在绝大多数情况下决定了转速高的风轮的效率和控制特征。反映翼型特征最重要的参数为升阻比(L/D)(升力/阻力)，即

翼型的外部形状和攻角α是影响翼型升力系数CL、阻力系数CD的两个重要因素。CL、CD与α的关系曲线如图5[4]所示。

图5 CL、CD与α的关系曲线

图6 CL与CD的关系

4 结语

如今，全世界各个国家和地区都面临能源资源短缺，其造成社会发展和经济发展受到极大的限制。21世纪全球新能源行业的发展突飞猛进，在目前众多可再生能源和新能源技术开发中，风力发电独树一帜，具有重要的开发利用价值，逐步受到世界各国的高度重视。

我国在风力发电核心技术上较欧美国家有一定的差距，尤其体现在风机叶片翼型、风机叶片设计、风机气动特性的研究等方面。风力发电机的关键部位是风轮，而风轮叶片的设计优劣直接影响到了整个风力机的风能转换效率，所以在风力机叶片设计上需要符合更高的标准。本文基于传统空气动力学理论和流体力学理论，结合现代Glauert算法和Wilson算法，以及动量-叶素理论知识，侧重于对风力发电机叶片设计的参数选定和优化。

本论文的研究内容及总结如下：

(1)通过对国内外文献及相应教材的收集整理，归纳总结出了近年来国内外风力发电的现状，介绍了风力机的组成、分类、结构，风力机叶片设计的翼型选型、叶片材料选取和叶片结构设计的基本概况。

(2)深入结合相关的理论基础，包括动量理论、叶素理论、动量-叶素理论以及风力机优化设计的Glauert算法和Wilson算法，利用叶片翼型的气动特性和升阻比曲线等数据和图像，寻求风能利用率的最大化。

(3)简要介绍了风力发电机几种翼型以及其对应的空气动力特性，使用Profili软件分析NACA6413型翼型的几何参数和图像，简单介绍了新型玻璃钢复合纤维材料和碳纤维复合材料等叶片材料的特性。