风力发电机组叶片结构的改进论文（风力发电机仿生叶片设计与性能分析）

风力发电机仿生叶片设计与性能分析

• 随着能源日益短缺，风能作为可再生能源的清洁来源在全球范围内受到越来越多的关注，风力发电机是利用风能的最佳工具 [1]。随着近年来风力发电机的广泛应用 [26]，逐步强调了如何提高风能利用率的问题。叶片是风力涡轮机最重要的部件之一，也直接与风接触 [2] 。根据动量叶片元件的理论，叶片叠加的翼型沿翼展方向厚度不同[23] 。为了提高风能利用率，需要提高翼型性能。是好还是坏的表现机翼将直接影响到刀片的性能。

• 1 。风力机叶片的基本理论• 叶片升力由半径为r且长度为δr 的叶片元件产生，该叶片元件沿翼展方向并作用在风力涡轮机叶片上[6] 。并且阻力是由轴向动量速率和由叶片元件扫过的环面空气的角动量速率产生的 [3]， [5] 。叶片根部没有叶片元件旋转气流的影响，但叶片元件随着叶片尖端叶片元件转速的增加而迅速增加，驱动叶片旋转[13] 。较小的攻角和薄后缘可以减少叶片元件的阻力并增加升力。叶片设计的经典理论是叶片元素动量理论[16] 。在风力涡轮机叶片的性能参数中，叶片的坚固性是决定涡轮机性能的主要参数，定义为叶片总面积除以风轮的面积 [19]。

• 2。仿生刀片设计• 本文旨在将海鸥翼的优良空气动力学性能应用于风力机叶片设计。因此，选择用于500W风力涡轮机叶片的原型的叶片，其总叶片长度为1200mm。仿生刀片经过数值模拟，用于比较和分析。首先是建立标准的500 W风力涡轮机模型并建立叶片的标准模型。

• 3.1 。完全改进的翼型的仿生刀片• 通过分析，我们发现海鸥翼具有较高的升阻比，影响风力机叶片气动性能的主要因素是风力机翼型 [21]。因此，在仿生叶片设计中，首要考虑的是仿生机翼模型，它应用于叶片的仿生设计[4] 。首先，确定仿生叶片的基本几何参数，并确定风力涡轮机的额定功率（P = 500W）。风力涡轮机的直径R为2.4米，类似于标准叶片。通常选择尖端速度比λ为6.根据经典叶片元件动量在设计叶片时，Hermann Glauert的模型，横截面中的翼型弦长和迎角都在变化 [8]。目的是在不同的风速和转速下获得稳定的载荷，推力和功率。因此，对于翼型的每个横截面，需要不同的扭转角和弦长以确保沿翼展方向具有相同的升阻比并且产生高效率的叶片 [17]。平均分布动力学叶片在整个叶片上消耗的能量，叶片需要变形，并且叶片的不同横截面中的升阻比是相同的。因此，翼型的扭转角度和弦长在不同的截面上是不同的，以使叶片力均匀并获得更高的风力效率。翼型需要在50％海鸥翼中选择。通过计算，如图1所示。

• 该升力系数当迎角为12°时，海鸥的翅膀可以达到1.92。为避免翼型在最大升力下严重失速，选择最大升力的70％至80％作为升力系数，所选翼型的升力系数为1.57。但当迎角为5时，升阻比达到最大值。海鸥翼50％翼型和升阻比曲线的升力曲线如图1 所示，仿生叶片参数总和如图1所示。改进的翼型如表1所示。总改进翼型的仿生叶片如图2所示。 图1。海鸥翼50％翼型的提升曲线和升阻比曲线

图2。完全改进的翼型的仿生刀片。

• 3.2 。部分改进的翼型的仿生叶片• 标准叶片尖端的改进是仿生叶片设计的另一种形式[18]，[20] 。对于风力涡轮机叶片，叶片的尖端极大地影响风力涡轮机叶片的空气动力学性能，并且它是叶片噪声的主要贡献者。从大约50％的海鸥翼型截面中选择的翼型导致仿生翼型的最佳空气动力学性能，并且它们用于在翼型定位之后替换70％的标准风力涡轮机叶片。叶片尖端的位置在旋转的风轮机翼型件当雷诺数是Re≌1×10工作5。改进的标准叶片尖端和改进的叶片设计的翼型如图3所示。

图3。部分改进的翼型的仿生叶片。

• 3.3 。配置改进了仿生刀片• 配置改进的仿生叶片的方法是根据海鸥翼的构造的前缘扩展风力涡轮机叶片[9]，[10]，[12] 。叶片翼型的所有部分的空气动力学中心位于海鸥翼的前线。标准叶片的弦长和攻角是恒定的。只有空气动力学中心位于海鸥翅膀的前线。这种配置改进的刀片如图4 所示。 图4。配置改进了仿生刀片。