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大型风电机组叶片翼型的设计方法
194 农业机械学报 2008年 型风电叶片设计的基本参数之一。因此,结构系数般却较多地关注升力和阻力的作用。 K不应是一个定值,还需要深入研究其内在规律以 实际上,对于给定的风轮半径,可以将升力系数 及对设计要求的影响,还渐形成相关设计标准或叶C1和阻力系数CD转化为相应的转矩系数C和轴 片优化设计的基本约束条件。 向推力系数Cr3],即 32叶片内外圈翼型的选择 CQ= CAsing- COcosφ (3) 由于大型风电叶片长数十米,质量以吨计,内圈 Cr=Ccos- Opsinφ (4) 区域所承受的弯曲和疲劳载荷很大,因此设法加强其中 Φ=a+β 该区域的强度是叶片结构设计的关键环节之-。研式中a—攻角 究表明,在内圈区域采用钝后缘翼型增加叶片截面 ——相对于旋转平面的扭角 厚度对改善叶片结构强度极其有利,同时也是减小 ——位于该半径处的叶片入流角 叶片单位体积质量,避免叶片成本随长度成幂律增 由于叶片内圈区域的气流的入流角比较大,此 长的主要途径。一般意义上,可以考虑沿叶片展向时弯矩系数CQ主要是升力系数的函数而与阻力 从叶尖开始从薄到厚的翼型分布设计,满足叶片气系数CD的关系不大。因此,对于叶片的内圈区域 动和结构性能的要求。 而言,尽管以结构设计为主的翼型设计可能会使CD 虽然钝后缘翼型会增加截面阻力,但是由于分增加,进而导致转矩系数CQ有所减小,但其影响程 离点的推迟,降低了因气流分离而引起的阻力压差,度明显小于C增加对cQ的有利影响。由此可以 而这部分阻力在总阻力中所占的比重是随攻角而增推论:在叶片的内圈区域采用结构为主的翼型设计 大的。所以在具有较大攻角的叶片内圈区域,采用方法,虽然会引起阻力的变化但其对风电叶片总体 钝后缘翼型,无论从结构力学还是空气动力学角度性能的影响是相对次要的因素。 看都是合理的。 图4为TR-35与TR-35-10翼型相应的转 但对于叶片外圈区域而言,主要设计要求是最矩系数差值的变化,表明了以上分析的合理性,图中 大限度地发挥其气动性能,一般应使其攻角处于最△CQ=(CTx3510-Ca0R35)×100% 佳值。在此条件下,型阻将占较大比例,但叶片相应 14 的结构载荷却比较小,故在外圈区域不应采用钝后 →B=10° 缘加厚翼型。 实际上,由于外圈区域相对力臂长,选择高升阻 比的翼型对提高叶轮整体的气动性能十分有利。因 此,在叶片的外圈区域设计中,宜更多地关注升阻比 468101214161820 较高的翼型(如NREL的S831、S830等),考虑选择 此类尖后缘且较薄的翼型。 图4削平后缘对转矩系数的影响 以某变桨矩控制风电机组的叶片设计为例,原4结论 设计在075R和0.95R处翼型分别选用S817和 s816翼型,但这2种翼型是针对失速控制风电机组 (1)提出叶片结构系数,并给出该系数的明确 设计的,最大升力系数较低,气动性能一般。后采用定义。以κ为界,可将叶片分为内图和外圈区域。 翼弦较短、升阻比更高的S830和S831翼型,S831 (2)对于大型叶片的内圈部分的翼型设计,可着 位与0.90R处,其最大相对厚度x/c=0.18,设计重于结构要求采用钝后缘的改进翼型设计,以提高 升力系数为1.5;30作为外圈最主要的075R处叶片截面的结构强度同时维持较好的气动性能。 翼型,x/c=0.21,设计升力系数为1.6,这种设计布 (3)沿叶片的展向采用改进翼型截面与航空翼 局较大地提高了该叶片的气动性能。 型截面相结合的布局方式,可有效地缓解叶片气动 33叶片内圈翼型与整体气动性能的关系 和结构设计的矛盾,在叶片外圈区域宜采用升阻比 从风电机组的总体设计观点看,风电叶片气动较高的薄翼型。 设计的主要目标是产生尽可能大的转矩,且沿叶轮 (4)结构系数κ的取值对叶片的结构和气动性 轴向的推力较小。然而,在叶片的气动设计过程中,能有重要的影响,应根据设计要求和目标确定 参考文献 1钱翼稷.空气动力学[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004 2张捷迁,章光华,陈允文,真实流体力学[M].北京:清华大学出版社,1986 3贺德馨.风工程与空气动力学[M].北京:国防工业出版社,2006

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