[发明专利]风力机叶片气动外形协同设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及风力机设计制造领域，特别涉及一种用于风力机翼型和叶片气动外形设计的方法。

背景技术

风力机叶片翼型性能及其沿展向的分布特性是决定风力机功率和载荷特性的根本因素，一直是各国学者研究的热点所在。目前叶片翼型气动外形的设计方法都是基于一定的原始几何形状及希望的气动性能，进行参数的设计和优化。

目前叶片外形的设计理论有好几种，都是在机翼气动理论基础上发展起来的。第一种外形设计理论是按照贝茨理论得到的简化设计方法，该方法假设风轮是理想的，叶片数为无穷多个，同时风轮旋转时没有摩擦阻力，风轮流动模型简化为一元流管，风轮前后气流静压相等，不考虑涡流损失等。由贝茨理论计算得到的风轮风能利用系数为59.3%，实际上这种方法设计出来的风轮效率不超过40％。后来一些著名的气动学家相继发展了叶片气动设计理论：Schmitz理论认为对于有限长的叶片，风轮叶片下游存在着尾迹涡，通过考虑叶片周向涡流损失，设计结果精度有一定的提高；Glauert理论考虑了风轮后涡流流动，但忽略了叶片翼型阻力和叶稍损失的影响，这对叶片外形影响较小，对风轮效率影响却较大；Wilson在Glauert理论基础上作了改进，研究了叶稍损失和升阻比对叶片最佳性能的影响以及风轮在非设计工况下的性能，在优化过程中考虑了诱导速度、升阻比和叶尖损失，建立了风能利用系数和叶片气动参数的数学方程式，是目前最常用的叶片设计理论，由于在设计过程中没有考虑阻力的影响，通过该理论得到的弦长和扭角较大，增加了叶片的材料成本、疲劳强度以及成型难度，因此由该理论设计的叶片必须要进行后处理，如减小叶根弦长和扭角，对叶片沿展向弦长，扭角的线性化处理等。

目前国内外研究现状分析表明，风力机翼型、叶片的研究一般采取相互独立串行设计的方法。在翼型的设计中，一般基于一定的初始形状，从期望的气动性能出发，主要侧重于翼型的粗糙度敏感性，或者以翼型的最大升阻比为目标，或者以翼型的最大推力系数为目标，或者考虑翼型有较好的失速特性，或者考虑有较大的运行攻角范围等单一设计要求，然后在此基础上进行改进、修型和优化，以获得性能良好的翼型，由于在设计中没有考虑这些因素之间的相互影响关系，因此具有一定的局限性；同时在叶片的设计过程中，也都是基于空气动力学性能、结构特性和功率特性等单一学科要求进行优化设计，没有充分考虑风场实地和风力机特殊运行工况下各设计学科之间的耦合关系与协同机制，因而不能更大限度的改进叶片的性能，提高风力机的风能利用系数进而降低成本。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种风力机叶片气动外形协同设计方法，具有构思巧妙、直接简便、易于理解和操作等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

该风力机叶片气动外形协同设计方法，包括风力机叶片的气动外形设计，

所述风力机叶片的气动外形设计包括以下步骤：

风力机叶片气动外形协同设计方法，其特征在于：包括风力机叶片的气动外形设计，所述风力机叶片的气动外形设计包括以下步骤：

1）设定参数化翼型型线表达式，设定叶尖速比λ、叶片设计半径R，叶素当地半径r，叶片数B，收敛容许偏差tol，计算精度m；

2）设定α(0)和α’(0)的初值α(0)=1/n，α’(0)=0；n为自然数；

3）采用下式计算入流角φ：

，其中r为叶素展向半径，ω为叶片旋转角速度，ρ为空气密度，V₀为风速；

4）采用下式分别计算叶尖损失因子F和F1：

，其中，  ，R为风轮半径；           

  ，其中，                  

式中B表示为叶片数；

5）采用下式分别计算切向力系数C_x和法向力系数C_y：

  ，

  ；式中为翼型升力系数，为翼型阻力系数，C_x和C_y分别为切向力系数和法向力系数；

6）采用下式计算风能利用系数(0)：

；

式中α为轴向诱导因子，α’为周向诱导因子，σ表示叶片实度，计算(0)时，α和α’分别赋值为α(0)和α’(0)；

为叶素所在展长处当地速比， =X * r/R，其中X为叶尖速比，r为翼型截面当地半径，R为风轮半径；

7）进入循环，即在一定的轴向和周向诱导因子时，利用协同设计模型迭代求解，直至(1)与(0)的变化小于设定容许偏差tol，完成一次计算；