风力机叶片气动外形协同设计方法

摘要

本发明公开了一种风力机叶片气动外形协同设计方法，包括对风力机叶片的气动外形设计，以及利用风力机叶片的数学模型，针对沿叶片展向不同位置风力机专用翼型的设计要求，以二维风能利用系数为优化目标的风力机翼型设计；其中叶片设计方法有别于现有叶片设计方法，不考虑叶片设计过程中轴向和周向诱导因子的求解方法，通过对和’直接赋值，进而求解对应的最大风能利用系数，计算方法直接简便，同时在计算过程中将翼型的设计与优化考虑进来，实现了叶片与翼型设计的共用模型，为风力机叶片与翼型的协同设计奠定了基础，整套方法构思巧妙，易于操作，为风力机叶片和翼型的优化设计提供了新的思路。

主权项

1.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：$F=\frac{2}{\pi }\arccos \left[\exp (-f)\right],$其中，$f=\frac{B}{2}\times \frac{R-r}{r\sin \phi },$R为风轮半径；$F_1=\frac{2}{\pi }{\cos }^{-1}\left[\exp (-g\frac{B(R-r)}{2r\sin \phi })\right],$其中g＝exp[-0.125(BX-21)]+0.1，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：$C_x=F_1{C}_l(\sin \phi -\frac{1}{C_l/C_d}\cos \phi ),$式中C_l为翼型升力系数，C_d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C_p(0)：C_p＝[(1-a)²+x²(1+a′)²]xC_xσ；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C_p(0)时，α和α’分别赋值为α(0)和α’(0)；x为叶素所在展长处当地速比，x=X*r/R，其中X为叶尖速比，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C_p(1)与C_p(0)的变化小于设定容许偏差tol，完成一次计算；8）重复上述步骤2）～7），在步骤2）中，设定α(n)和α’(n)的初值a(n)=（i/n），a’(n)=（0），n为大于1的整数，通过上述步骤，依次分别求得C_p(2)，C_p(3)…C_p(n)；i即循环变量，为1，2，3，…n；9）比较C_p(1)，C_p(2)…C_p(n)大小，求得最大C_p以及对应的α，α’；10）计算叶片当地其他几何参数，包括叶片扭角，实度，弦长和厚度，得到翼风动机叶片气动外形的相关参数。