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风力发电机叶轮的数值优化设计法
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2008-12-21
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目前 ， 在 风力机叶轮的气动设计方面，还没有其系统的设计模型和方法，只有一些
针对某一方面的模型，这些模型还无法规纳成一套可靠的系统的设计模型[(1]，Gourieres
在他的风力机设计理论的书中也只能介绍几种简化的有关设计模型[2]，所用的设计方法
主要还是以经验设计为主，不是全面系统地考虑叶轮的各种影响因素，如Habali[31在他
的设计工作中主要考虑了叶片翼型对叶轮运行的气动作用，Voutsinasl4]只是对偏航工况
下叶轮的气动特性及操作进行了分析研究，文献{5}也仅对叶轮功率等气动特性进行计
算分析等。本文综合分析各种有关叶轮因素的气动模型，建立了一套考虑风力机各种因
素的叶轮气动设计数值方法。
2 叶轮优化设计的数学模型
2.1 确定叶轮直径的模型
根据 前 人 大量的实践，对于现代高速风力机，其额定功率可粗略地写为[2]P = 0 .2D2V3
其中，D为叶轮直径(m), V为额定风速(m/s).
2.2 叶片弦长的模型
2.2.1 简化的风车模型在这个模型中，假设风力机按照照贝茨理论的最佳条件运行，
不考虑叶片涡流的分布及影响，得[2]
Clb， 一(1 6-7r/9 )R/[ Ao 了 A2(r 2/R2 )+( 4 / 9) ] (1)
其中，Cl为叶片截面翼型升力系数，b为叶片数，l为叶片截面弦长，R为叶轮半径，
A。为叶轮尖速比(= wR/V.,。为叶轮转速)，r为本截面所在叶轮径向坐标。
2.2.2 Glauert涡流模型本模型考虑了叶轮及叶片涡系对叶片气动特性的影响，由
涡流引起的诱导风速可看成是由中心涡系、每片叶片的附着涡系及叶片尖部形成的涡系
叠加的结果。主要公式为[2]
Cib l= [8- 7rr( 1一 k) sin e0 COs E] /[(1 + k ) Co s (I 一:)」(2)
其中，:为叶片翼型气动特性的升力线角，0为叶轮旋转面与当地气流的夹角，k为中
间变量，该模型详细见文献[2]。
针对某一方面的模型，这些模型还无法规纳成一套可靠的系统的设计模型[(1]，Gourieres
在他的风力机设计理论的书中也只能介绍几种简化的有关设计模型[2]，所用的设计方法
主要还是以经验设计为主，不是全面系统地考虑叶轮的各种影响因素，如Habali[31在他
的设计工作中主要考虑了叶片翼型对叶轮运行的气动作用，Voutsinasl4]只是对偏航工况
下叶轮的气动特性及操作进行了分析研究，文献{5}也仅对叶轮功率等气动特性进行计
算分析等。本文综合分析各种有关叶轮因素的气动模型，建立了一套考虑风力机各种因
素的叶轮气动设计数值方法。
2 叶轮优化设计的数学模型
2.1 确定叶轮直径的模型
根据 前 人 大量的实践，对于现代高速风力机，其额定功率可粗略地写为[2]P = 0 .2D2V3
其中，D为叶轮直径(m), V为额定风速(m/s).
2.2 叶片弦长的模型
2.2.1 简化的风车模型在这个模型中，假设风力机按照照贝茨理论的最佳条件运行，
不考虑叶片涡流的分布及影响，得[2]
Clb， 一(1 6-7r/9 )R/[ Ao 了 A2(r 2/R2 )+( 4 / 9) ] (1)
其中，Cl为叶片截面翼型升力系数，b为叶片数，l为叶片截面弦长，R为叶轮半径，
A。为叶轮尖速比(= wR/V.,。为叶轮转速)，r为本截面所在叶轮径向坐标。
2.2.2 Glauert涡流模型本模型考虑了叶轮及叶片涡系对叶片气动特性的影响，由
涡流引起的诱导风速可看成是由中心涡系、每片叶片的附着涡系及叶片尖部形成的涡系
叠加的结果。主要公式为[2]
Cib l= [8- 7rr( 1一 k) sin e0 COs E] /[(1 + k ) Co s (I 一:)」(2)
其中，:为叶片翼型气动特性的升力线角，0为叶轮旋转面与当地气流的夹角，k为中
间变量，该模型详细见文献[2]。
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