1、 1 摘 要 本次课题设计的题目是“风机叶轮的设计和风电场机组布置方案” 。风机叶 轮的设计主要是通过公式计算，得到风轮扫掠面积，风轮直径，增速比等 重要参数， 再采用三维 CAD 软件绘制叶片的翼型组合成三叶片三维立体风 机示意图和风电场机组布置方案的比较选择。 本次的设计具体内容主要包括：风轮设计的相关内容，比如:确定风轮扫掠 面积、确定风轮直径、确定叶片数目、风轮转速计算、确定增速比等计算 数据和翼型设计的一些相关数据计算 关键词：关键词：风力机叶片 翼型 坐标变换 风电场机组布置方案（图） 绪论绪论 能源是人类社会存在与发展的物质基础。过去200多年，建立在煤炭、 石油、天然气等化石燃
2、料基础上的能源体系极大地推动了人类社会的发 展。然而，人们在物质生活和精神生活不断提高的同时，也越来越感悟 到大规模使用化石燃料所带来的严重后果：资源日益枯竭，环境不断恶 化。因此，人类必须寻求一种新的、清洁、安全、可靠的可持续能源系 统。 2 受化石能源资源日趋枯竭、能源供应安全和保护环境等的驱动，世 界主要发达国家和一些发展中国家都重视风能的开发利用。 特别是自 20 世纪 90 年代初以来，风力发电的发展十分迅速，世界风电机装机容量 的年平均增长率超过了 30%，2005 年，中国政府对 2020 年的风电发展 目标进行了修改，将风电装机容量由 2000 万千瓦增至 3000 万千瓦。
3、与此同时，我国在风力发电技术的研究与应用上投入了相当大的人 力及资金，充分综合利用新材料、新型电机、电力电子技术、计算机、 自动控制及通信技术等方面的最新成果，开发建立了评估风力资源的测 量及计算机模拟系统，发展了变桨距控制及失速控制的风力机设计理 论，采用了新型风力机叶片材料及叶片翼型，研制出了变极、变滑差、 变速恒频及低速永磁等新型发电机，开发了由微机控制的单台及多台风 力发电机组成的机群的自动控制技术，从而大大提高了风力发电的效率 及可靠性。 3 一、风轮设计一、风轮设计 1、 由匀风速 Vm 求额定风速 70556.5)2.58.41.5( 36 11 1 n i im v n v s
4、msmvv m /6.8/70.55.15.1 风轮扫掠面积、风轮半径 由风电场具体资料可以获得单机额定容量，额定风速由上求得，便可由 式子 651.663)( 2 3 m vCtCaK N s e 算出风轮扫掠面积后，由风轮扫掠面积由可算出风轮直径： m s d076.292 ，此处取风轮直径为 30m 那么风轮半径，即叶片长度就可求得 m d r15 2 2、 叶尖速比、叶片个数 K 的确定 叶尖速比与风轮转速成正比，叶尖速比越大风轮转速就越高，而风轮转 速取决于风力机的用途.用于发电的风力机叶尖速比常取 57.此处取 6 叶尖速比为 6，由下表知叶片数可取 2-4，但由于 3 叶片有以下
5、优势。 二叶片风机功率系数 p C低 低实度变化的主要影响如图4-9所示. 4 低实度产生一个宽而平坦的曲线， 表示在一个较宽的叶尖速比范围内 P C变化小，但是 P C的最大值较低，这是因为阻尼损失较高（阻尼损 失大约与叶尖速比率的立方成比例） 高实度产生一个含有尖锋的狭窄的性能曲线， 这使得叶轮对叶尖速比 变化非常敏感并且，若实度太高， p C最大值将相对角低， maxp C的降 低是由失速损失所造成的。 由图 4-9 可看出，3 桨叶产生最佳实度。当然，两桨叶也是可以接受 的选择，虽然它的 p C最大值稍微低点，但峰值较宽，这可以获得较 大的风能捕获。 风力机叶片数与叶尖速比的匹配 叶尖
6、速比 叶片数 叶尖速比 叶片数 1 8-24 4 3-5 2 6-12 5-8 2-4 3 3-8 8-15 2-1 三叶片气动性能好,气动中心在旋转中心处,是叶片数且最少的类圆 形风轮.由于 3 个均匀分布的叶片叶轮面上的惯性力和气动力较为均 5 匀，故三叶片风机的动力学特性好。 从视觉角度出发，三叶片风机运行均匀分布，美观。 综上所述，选择三叶片风轮。 由下图(叶尖速比与风轮实度关系曲线) 3、 单个叶片面积 )( 2 m k sk s y 叶尖速比,6经计算得： )(061.11 2 ms y 4、风轮转速 n 6 rpmrpm R n33866.32 2 60 取 5、增速比 i 发电机与转速 1500rpm,4533/1500 i,可考虑用三级齿轮传动。 6、叶片不同半径处叶尖速比 i v Rn v u 60 2 是叶尖端线速度与风速之比。 叶片从转速中心至叶片不同半径处的叶尖速比用i表示可下式 R ri i 不同半径处的图 风轮
