风力机叶片气动设计及Solidworks软件建模过程研究
2015-03-06曲宏伟
曲宏伟，张 崇
(1.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012;2.吉林电力股份有限公司四平热电分公司，吉林 四平 136000)
目前，风力发电机功率输出和负载主要是由风产生的气动力来决定［1］。风轮是发电机组最重要的部件之一，其主要功能是将风中所具有的风能转化为风力发电机的机械能，其转化效率的高低直接影响风力发电机的性能，而叶片设计是风轮设计中的关键。在叶片设计方面，国内大多数基于葛劳渥模型和威尔森模型设计，文献［2］用MATLAB编程设计了小型风力机叶片;文献［3］以年能量输出最大为优化目标，采用复合形法搜索最优点建立了风力机叶片设计模型;文献［4］针对叶轮与气流之间的相互作用进行研究，研究方法主要有叶素——动量理论方法、涡尾模型方法和CFD方法。上述风力机叶片设计记忆建模的研究都是基于计算机工具来完成的，很难理解其内部具体的完成过程，且实际建模过程的文献很少、不具体。因此，本文对风力机叶片设计记忆建模计算机编程过程进行细化和分解，利用叶素——动量理论讲解叶片详细建模过程，借助于计算机Solidworks软件［5］对风力机叶片进行实物建模，阐述了整个风力机叶片从设计到建模的全过程。
1 风力机叶片气动参数设计
1.1 风力机参数确定
由风力机的相关知识得风力机输出功率公式为
经过对公式(1)变换，可得:
式中:P为风力机的额定功率2 MW;空气密度ρ=1.225 kg/m3;额定风速Vr=7.6 m/s，风能利用系数Cp=0.38;风力发电机的整机效率η=0.92×0.95=0.874。经计算，得到风力机直径D=75.5 m。
1.2 叶片翼型选择
本文选取NACA63418翼型作为研究对象。该翼型的气动性能数据可以通过PROFILI导出，得到攻角－升力系数、攻角－阻力系数以及攻角－升阻比的关系。根据所给数据以及所做图像，可得翼型最佳攻角为α=5°，此时翼型的升力系数CL=0.904，阻力系数Cd=0.007。再通过NACA Aerofoil Sections软件生成NACA63418的翼型图，翼型形状如图1所示。
图1 NACA63418翼型图Fig.1 NACA63418 airfoil diagram
输出翼型的弦长为单位长度时的平面坐标值，本文输出为翼型的201点横纵坐标值。
1.3 基于叶素－动量理论的计算方法
本文基于叶素——动量理论，并辅以Prandtl叶尖损失修正，对风力机叶片气动性能进行模拟研究。结合动量理论和叶素理论，计算风轮旋转面中的轴向诱导因子a和周向诱导因子b:
式中:B为叶片数;c为弦长;φ为升力角;r为叶素位置距叶根距离;Cn为叶轮平面法向力系数;Ct为叶轮平面切向力系数。
叶素理论假设叶展方向的叶素互不干扰，叶素可以作为二维翼型来进行计算。但实际叶片旋转时沿着叶展方向会产生二次流动，叶尖部分的叶素由于空气在叶尖部分脱落使三维作用更加明显，所以叶尖损失不容忽视。基于二维流动，Prandtl对叶尖的流动做了研究，定义叶尖损失修正系数Ftip为
则式(3)、式(4)可变形整理为
即可得到修正后的数值［6］。
1.4 基于Visual C++软件编程模拟计算
本文运用Visual C++软件进行编程并进行举例运算，利用所编的程序可以算出轴向诱导因子a和周向诱导因子b。
作用在整个风轮上的轴向推力可表示为
作用在整个风轮上的转矩可表示为
式中:T为轴向推力;M为转矩;dM为微元转矩;Ω为风力机旋转角速度;R为风力机叶轮半径长。
通过计算整理得到如表1所示数据。
表1 翼型空气动力学数据Tab.1 Airfoil aerodynamic data
2 基于Solidworks软件的风力机叶片建模
2.1 基于Solidworks风力机叶片断面图
叶片的每一段都是均匀过度的，利用计算所得数据通过CAD软件模拟风力机叶片每一分界断面草图，将这些草图导入Solidworks软件中进行叶片初步建模［7］，得到风力机叶片端面如图2所示。
图2 风力机叶片断面图Fig.2 Wind turbine blade profile
2.2 Solidworks叶片放样操作
将不同位置叶素进行分别放样，再将放样结果叶素运用Solidworks软件中的“整合”功能［8］，将叶素进行整合与连接，形成一个完整的叶片，这种放样方法更贴近叶片的实际设计。在通过对图2所示的叶片断面进行分段放样后，可以得到叶根、第一段叶片以及叶中模型，如图3、图4所示。
图3 叶根处以及第一段叶片模型Fig.3 Model of blade root and the first section blade
图4 叶中段模型Fig.4 Leaf blade middle model
2.3 Solidworks叶片配合操作
将叶片各段放样后的模型，运用Solidworks中的“配合”功能进行配合，可以得到终的叶片整体模型，如图5、图6所示，最终完成叶片的整体建模过程。
图5 “配合”后的叶片整体模型图Fig.5 Whole blade model diagram after“matching”
图6 “配合”后的叶片整体模型图Fig.6 Whole blade model diagram after“matching”
3 结论
1)基于叶素动量理论的叶片气动性能设计所得到的计算数据，虽然没有基于涡流理论计算方法的计算结果精确［9］，但其通过考虑Prandtl叶尖损失后，仍然可以得到相对准确的计算结果。而涡流理论则需要大量的流体力学知识以及多种方法的建模，计算量非常大。
2)通过Solidworks软件建立叶片模型的方法有多种，因为叶片每一段的叶素都会有变化，所以分段放样所得到的叶片较为精确，即分段越多所得到的叶片就越精确。
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