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风力发电机叶片气动外形设计方法概述
c Research
科学研究Scienti?
风力发电机叶片气动外形设计方法概述
贾娇1 田 德※1，2 王海宽1 李文慧1 谢园奇2
（1.内蒙古农业大学机电工程学院 2.华北电力大学可再生能源学院）
摘 要：该文介绍了目前风力发电机叶片的主要设计理论——Glauert理论、Schmitz理论和动量—叶素理
论。运用以上三种理论，使用c#语言编程分别计算了1000W叶片的弦长和来流角，并对计算出的结 果进行了比较和分析。从设计的结果可以得到，用动量—叶素理论设计出来的弦长和来流角较Glauert 理论和Schmitz理论设计出来的弦长和来流角更小。但是用以上三种理论设计出来的弦长和来流角在 叶根处都偏大。
关键词：风力发电机；叶片；气动外形设计
0 引 言
风力发电是风能利用的主要方式，叶片是用来转换风能的关键部件。风力发电机叶片的外形决定了风能转换的效率，因而风力发电机叶片气动外形设计关系到风力发电机的性能，是风力发电机设计着重考虑的部件之一。
Glauert理论、Schmitz理论和动量—叶素理论是叶片设计的基础理论，现代叶片设计方法都是在这些理论上进一步发展起来的。到目前为止，Glauert理论和动量—叶素理论仍在广泛的使用。分别介绍了三种理论如何求解叶片的弦长和来流角并运用C#语言对以上三种方法进行编程，实现对叶片弦长和来流角的求解，并对这三种方法求解出来的结果进行比较和分析。
1 理论方法介绍 1.1 Glauert理论
G1auert设计方法是考虑风轮后涡流流动的叶素理论(即考虑轴向诱导因子a和切向诱导因子b)；但在另一方面，该方法忽略了叶片翼型阻力和叶梢损失的作用，这两者对叶片外形设计的影响较小，仅对风轮的效率Cp影响较大。[4]
由一系列的推导知道[1]，对于在给定半径r处的尖速比 ，当
时，即
而 ，则
即 ，由此可得：
（3）将上式代入（1），便可求得a值。 根据
便可求得b，进而可求出如图1所示给定半径处的来流角
（a）速度 （b）作用力
图1 翼型在气流中的运动分析及受力分析
(4)
便可求出 （5） 1.2 Schmitz理论
很多基本理论是在风力发电机假设叶片无限长的情况下建立的，对于有限长度的叶片当风轮旋转时，升力翼的下表面压力大于大气压力，上表面压力小于大气压
时，CP有最大值。令 （1）式中： —中间变量
在等式两边同除以 ，得
（2）
Scienti? c Research科学研究
截面号1
3345678910
（a）弦长 （b）来流角
图6 动量—叶素理论得到的弦长和来流角
表1 三种方法计算出来的结果
Glaurt 理论计算结果
弦长距离叶根距离r（m）
（m） 0.12750.3700.2550.3590.38250.2960.510.2420.63750.203 0.7650.1730.89250.151 1.020.1331.14750.119 1.2750.108Schmitz 理论计算结果距离叶根距离距离r 弦长
（m） （m）
0.12750.3700.2550.3590.38250.2960.510.2420.63750.203 0.7650.1730.89250.151 1.020.1331.14750.119 1.2750.108
动量—叶素 理论计算结果
弦长来流角距离叶根距离r（m）
（m） （°）
0.12750.36539.860.2550.35227.410.38250.28920.270.51 0.236 15.96 0.63750.19713.070.7650.172 10.790.89250.1429.751.020.1308.271.14750.1097.601.2750.099 6.21
来流角
（°）40.6127.9620.6216.1313.18 11.129.60 8.447.536.79 来流角（°）40.6127.9620.6216.1313.18 11.129.60 8.447.536.79 截面号13345678910截面号12345678910
通过对比以上数据可以得出
（1）Glauert理论和Schmitz理论计算出来的弦长和来流角偏大。主要是动量—叶素理论考虑较为全面，考虑了叶尖损失和轮毂损失（在本算例中影响很小），而Glauert理论和Schmitz理论考虑不够全面，只考虑了某一方面。
（2）此实例中，尽管Glauert理论和Schmitz理论考虑的方面不尽相同，但在此算例中计算出来的弦长和来流角一样。从理论上Glauert理论应该更合理，[11]
因为Glauert理论还考虑了了叶轮后涡流流动损失。 （3）对比已经设计出来的1kW的叶片，以上三种方法设计出来的叶片还需要进一步修型，以满足加工、工艺和气动性能方面的的要求 3 结论
（1）比较Glauert理论、Schmitz理论和动量—叶素理论设计出的叶片，可以发现用动量—叶素理论设计出来的弦长和来流角较Glauert理论和Schmitz理论更小。 （2）运用以上三种理论设计的出来的弦长和来流角在叶跟处都偏大，与实际的叶片有较大的偏差。
（3）叶片设计的过程是比较复杂的，叶片初步设计出来以后，为了满足其结构、成本、加工条件和气动性能还需要大量的修型。
参考文献
[1] 王凡. 风力发电机的叶片设计方法研究[D].南京：南京理工大学，2007[2] 贺德馨,等.风工程与工业空气动力学[M].北京：国防工业出版社，2006
[3] 田德.浓缩风能型风力发电机三与四叶片叶轮的风洞实验研究.太阳能学报.2007,28(1):74-80[4] 刘雄，陈严，叶枝全.水平轴风力机气动性能计算模型[J].太阳能学报，2005,26(6):792-799[5] 陈云程，陈孝耀，朱成名.风力机设计与应用[M].上海：上海科学技术出版社,1990
[6] 时燕.小型风力发电机失速调节型叶轮的实验研究[D]. 呼和浩特：内蒙古农业大学，2008[7] S.S.雷欧.工程优化原理及应用[M].北京：北京理工大学出版社，1990
[8] 刘雄，陈严，叶枝全.风力机桨叶总体优化的复合形法[J].太阳能学报.2001,22(2):157-161[9] 刘翠.风力机叶片的优化设计及其动力学特性分析[D].长春：吉林大学，2005[10] Tony Burton 等.风能技术[M].武鑫等译.北京:科学出版社，2007.9
[11] 张果宇,冯卫民，刘长陆，俞剑锋.风力发电机叶片设计与气动性能仿真研究[J].能源研究与利用.2009(1)
通讯作者: 田德（1958-） 男, 教授、博士生导师.华北电力大学可再生能源学院。电子信箱：tiande8325@yahoo.com.cn
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