风轮设计
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风力发电与风轮机优化设计
三、未来展望
随着科技的不断发展，未来的风轮机优化设计将更加注重智能化、自动化的 设计方法。例如，利用人工智能和机器学习技术对风轮机进行优化设计已经成为 当前的研究热点。此外，随着数字化和智能制造技术的发展，未来的风轮机制造 将更加高效和精准。例如，采用增材制造技术可以显著缩短制造周期，提高生产 效率。
参考内容
随着全球对可再生能源需求的日益增长，风能作为一种重要的清洁能源，其 开发与利用越来越受到人们的。水平轴风力发电机组作为风能利用的主要形式， 其性能的优劣直接影响到风能的转换效率和发电成本。而风轮叶片作为水平轴风 力发电机组的核心部件，其设计优化对于提高机组性能具有至关重要的意义。
一、水平轴风力发电机组概述
参考内容二
随着全球能源结构的转变，可再生能源在能源供应中的地位日益重要。风力 发电作为一种清洁、可再生的能源，在全球范围内得到了广泛的应用。然而，风 力发电的功率输出受到多种因素的影响，如风速、风向、温度等，这些因素的变 化使得风力发电的功率输出具有很大的不确定性。因此，如何提高风力发电系统 的功率预测精度，优化功率预测策略，对于提高风力发电系统的运行效率、降低 运行成本、提高电力系统的稳定性具有重要意义。
3、控制策略优化：风轮机的控制策略对其性能有着重要影响。通过对控制 策略进行优化，可以实现风轮机的自适应调节，以适应不同的风速和风向条件。 例如，采用先进的控制算法，可以实现风轮机的最优控制，提高其发电效率。
4、可靠性提升：在优化设计的过程中，还需要考虑提高风轮机的可靠性。 通过对风轮机的结构和控制系统进行可靠性分析，可以找出潜在的问题和风险， 并采取相应的措施进行改进和预防。例如，采用冗余设计和故障诊断技术，可以 显著提高风轮机的可靠性。
4、实时监测与调整
03.019-2002 空调风轮、风叶选型与设计规范
.集团空调事业部企业标准QJ/MK03.019-2002 空调风轮、风叶选型与设计规范.1.范围1.1 本设计规范规定了空调器常用风轮：轴流、贯流和离心风轮的的设计基本要求、材料和选用原则；供设计人员在风轮设计时参考；1.2 本设计规范给出了外协厂加工制作的风轮的配套安装和部件的技术要求。
2.相关标准：QJ/MK05.050-2001 空调用风轮风叶技术条件GB1800.2-1998 公差、偏差和配合的基本规定（ISO286-1：1988）GB/T14486-93 工程塑料摸塑塑料件尺寸公差。
SJ/T10628-1995 塑料件尺寸公差。
QJ/MK05.916-2002 AS类塑料材料3.术语和定义：3.1 借用风轮：为空调内部结构改变不大时，采用的原同类规格空调的风轮；3.2 专用风轮：为空调内部结构变化较大，使用规格较少时新选配和新设计改进的风轮，往往无法借用通用件中的风轮。
3.3 叶轮形式定义：按气流的进、出气方向可以分为离心、轴流叶轮；气流两次流经叶片，横贯叶轮时称为贯流叶轮或横流叶轮。
3.4 叶轮的命名符号及意义：3.4.1 离心叶轮的命名和符号意义：MDLX（离心风轮）-D外直径*H（高度）-（生产厂家或供货厂家）-M（摸具编号A、B、C……）3.4.2 贯流叶轮：MDGL（贯流风轮）-D外径-（生产厂家或供货厂家）-M（摸具编号A、B、C……）3.4.3 轴流叶轮MDZL（轴流风轮）-D外直径*H（高度）-（生产厂家或供货厂家）-M（摸具编号A、B、C……）3.4.4 生产厂家代号规定：目前提供叶轮的工厂有如下单位，按厂家名称的汉语拼音第一个字母为厂家代号，例如：SW—顺威风轮；LD—郎迪风轮；TD—天大风轮；DY-宁波德业风轮；……4. 风轮的选用设计规范：4.1 风轮的选用原则：4.1.1 借用风轮的选用原则：4.1.1.1 风轮的形式选用：参考如下形式分类进行基本形式确定：分体室外机====轴流风轮：分体室内机====贯流（横流）风轮：有不等距、等距和斜扭等不同叶型规格柜机室内机====多叶离心风轮（有单吸和双吸之分）柜机室外机=====轴流风轮嵌入式室内机===离心风轮嵌入式室外机===轴流风轮商用空调室内机====多叶离心（单吸和双吸风轮）4.1.1.2风轮规格的确定在所采用的空调器结构没有更改的条件下，主要结构部件是指：板金结构件外型、蒸发器的结构形式和形状尺寸、电机的支架和安装位置、方式等，严格按照《标准件手册》---通用件中规定确定的风轮规格进行，不得任意更换风轮；在内部结构有更改或改进时，需要对《标准件手册》---通用件中推荐的叶轮进行匹配实验，风量和噪声测试验证，达到设计要求时可以采用；达不到整机的设计要求时，通过转速调节的方式来改进，再实验验证风量和噪声要求；如果还是达不到需求，则要通过新选叶轮和设计新叶轮的方式来实现，最后确认制做。
风轮设计
=
1 2
Cl B
V2
sin2 f
cdr
cos
cos( f
-
)
（3）
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4
桨叶的外形设计
由（2）＝（3）得：
Cl BC
=
4r
sin2 f cos cos(f - )
=
4r
tg2f cosf 1 tgftg
（4）
将（1）带入（4）得：
16
R
Cl BC = 9 l l2 4 ( 1 2 tg )
桨叶的外形设计
根据 ac ，计算扭角q : q=f-ac
【11】绘制精确的叶片和翼型图。
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13
桨叶的外形优化
一、Glauert优化设计法：
Glauert优化设计法是考虑了风轮后涡流流动的叶素理论（即考虑 了干扰因子a和b），但在另一方面，该方法忽略了叶片翼型阻力 和叶稍损失的影响，这两者对叶片外形设计的影响较小，仅对风 轮的效率影响较大。运用该方法应注意两点：1、对接近根部处的 过大弦宽和扭角须进行修正；2、对所设计的外形，应计算其功率 特性曲线，然后再据此对外形作必要的修正。
Cl B
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11
桨叶的外形设计
【8】计算叶片展弦比Sp:
n
平均弦宽 C = C( i ) / n i=1
R 则展弦比 S p = C
【9】对攻角a进行修正：
根据叶片的展弦比，
对攻角a 0 按下式进行修正，修正后的攻角为
ac
= a0
Cl ( 1 0.11
3 Sp
)
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12
【10】计算扭角q ：
角。
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诱导因子在风轮设计中的相互关系
一线技术
诱导因子在风轮设计中的相互关系
文⊙ 肖燕娟 杨俊峰（湖南城建职业技术学院）
摘要： 本文主要分析了诱导因子在风 轮设计中的相互关系问题。 关 键 词： 诱导因子；叶素；来 流 角 在风力机风轮的空气动力特性分析 中，影 响 风 轮 捕 获 能 量 的 两 个 重 要 参 数 是 轴向诱导因子 ａ １ 和周向诱导因子 ａ ２ ，其定 义为： ａ １＝ ⑴ ＝ ｔｇ ２ φ ⑻ 由图 ２ ： ｔｇ φ＝ ⑼式中，Ｚ ＝ ＝ ⑼
表 １ ： Ｃ Ｐ为风轮的叶片数，Ｃ 为叶 素弦长，ｒ 为叶素至风轮旋转中心的距离。 将⑹式除以⑸式，化简得：
（上接 ２０６ 页） 具有很高的性能价格比。 ） （２ 现场总线把处于设备现场的智能仪表连成 网 络 ，使 控 制 、报 警 、趋 势 分 析 等 功 能 分 散到现场仪表，使控制结构分散化。 ３ ） （ 符合同一现场总线标准的不同厂家的仪表 装 置 可 以 联 网 ，不 同 标 准 通 过 网 关 或 路 由 器 也 可 互 联 ，现 场 总 线 控 制 系 统 是 一 个 开 放式系统。 五、Ｂ Ａ 系统设计举例 例如某一超高层建筑的 Ｂ Ａ 系统设计。 某大楼采用 Ｍ Ｅ Ｔ Ａ Ｓ Ｙ Ｓ 系统，Ｍ Ｅ Ｔ Ａ Ｓ Ｙ Ｓ 系统是美国 Ｊ ｏ ｈ ｎ ｓ ｏ ｎ 公司产品，它采用工 业标准的 Ａ ｒ ｃ ｎ ｅ ｔ 高速通信网络作为通信主 干线，各分站控制器和操作站均与 Ａ Ｒ Ｃ Ｎ Ｅ Ｔ 网络相联，其通信速率为 ２ ． ５ Ｍ 波 特 。系 统 为 两 级 网 络 结 构 ，中 央 管 理 计 算机采用 Ｐ Ｃ （个人计算机）微机，软件中 设有密码保护，各分站采用 Ｄ Ｄ Ｃ ，具有可 编 程 功 能 ，可 独 立 监 控 有 关 机 电 设 备 ，不
诱导因子在风轮设计中的相互关系
文⊙ 肖燕娟 杨俊峰（湖南城建职业技术学院）
摘要： 本文主要分析了诱导因子在风 轮设计中的相互关系问题。 关 键 词： 诱导因子；叶素；来 流 角 在风力机风轮的空气动力特性分析 中，影 响 风 轮 捕 获 能 量 的 两 个 重 要 参 数 是 轴向诱导因子 ａ １ 和周向诱导因子 ａ ２ ，其定 义为： ａ １＝ ⑴ ＝ ｔｇ ２ φ ⑻ 由图 ２ ： ｔｇ φ＝ ⑼式中，Ｚ ＝ ＝ ⑼
表 １ ： Ｃ Ｐ为风轮的叶片数，Ｃ 为叶 素弦长，ｒ 为叶素至风轮旋转中心的距离。 将⑹式除以⑸式，化简得：
（上接 ２０６ 页） 具有很高的性能价格比。 ） （２ 现场总线把处于设备现场的智能仪表连成 网 络 ，使 控 制 、报 警 、趋 势 分 析 等 功 能 分 散到现场仪表，使控制结构分散化。 ３ ） （ 符合同一现场总线标准的不同厂家的仪表 装 置 可 以 联 网 ，不 同 标 准 通 过 网 关 或 路 由 器 也 可 互 联 ，现 场 总 线 控 制 系 统 是 一 个 开 放式系统。 五、Ｂ Ａ 系统设计举例 例如某一超高层建筑的 Ｂ Ａ 系统设计。 某大楼采用 Ｍ Ｅ Ｔ Ａ Ｓ Ｙ Ｓ 系统，Ｍ Ｅ Ｔ Ａ Ｓ Ｙ Ｓ 系统是美国 Ｊ ｏ ｈ ｎ ｓ ｏ ｎ 公司产品，它采用工 业标准的 Ａ ｒ ｃ ｎ ｅ ｔ 高速通信网络作为通信主 干线，各分站控制器和操作站均与 Ａ Ｒ Ｃ Ｎ Ｅ Ｔ 网络相联，其通信速率为 ２ ． ５ Ｍ 波 特 。系 统 为 两 级 网 络 结 构 ，中 央 管 理 计 算机采用 Ｐ Ｃ （个人计算机）微机，软件中 设有密码保护，各分站采用 Ｄ Ｄ Ｃ ，具有可 编 程 功 能 ，可 独 立 监 控 有 关 机 电 设 备 ，不
第4章_风轮叶片设计
Ø
• • • • • Ø
Ø
l
Ø
• •
其他要求 对叶片设计的要求不仅需要参考和选用设计标准，还 应考虑风电机组的具体安装和使用情况。上述的叶片基本 设计要求，主要参考了IEC 61400—1[2]标准和德国GL的 《风力发电风电机组认证规范》中的有关规定，以下一些 要求仅供设计参考。 极限变形 由于复合材料的优良特性，大型风电机组风轮叶片的 设计首先考虑叶片的刚度是否满足使用要求，然后进行强 度校核。因此对叶片的极限变形要求极为重要： 避免风电机组运行过程中与塔架碰撞，要限制叶片在最大 设计风速时的极限变形； 在叶片变桨距时，应考虑气动弹性载荷对变形的影响。
Ø
Ø
Ø
Ø
l
结构设计要求
结构设计是形成叶片构件的关键设计过程，需要根据叶片所受的 各种载荷，并考虑风电机组实际运行环境因素的影响，使叶片具有足 够的强度和刚度。在规定的使用环境条件下运行时，应保证叶片在使 用寿命期内不发生破坏。另外，要求叶片的设计重量尽可能轻，并考 虑叶片间的相互平衡措施。 叶片的强度通常需要通过静强度和疲劳强度分析校核，受压结构 部分还应进行稳定性校核。强度分析应在足够多的截面上进行，需要 分析校核的横截面数目可根据叶片类型和尺寸确定，但至少应分析4 个以上的截面结构。同时，在叶片几何形状或材料不连续的位置，应 考虑增加必要的附加截面分析。 叶片强度分析可用相应的应变、应力等力学分析校核方法。对于 应力分析，还应额外校验最大载荷点处的应变，以确认设计结构不超 过材料破坏极限。
叶片结构设计的基本内容
n l
设计要求 气动设计要求
为了使风电机组有较高的风能利用效率，一般需要通过叶片气动 设计获得相应的设计参数或指标。采用葛劳渥(Glauert)、维尔森 (Wilson)或其他改进的可靠设计方法，通过计算确定叶片的气动外形 (如叶片的翼型、弦长、扭角、剖面厚度沿展向的分布等)，并提供相 应的设计条件参数(额定叶尖速比等)。 根据有关设计标准或第2、3章的分析，气动设计过程通常需要确 定以下设计参数或指标： 设计风速 设计风速是叶片设计的重要基础参数，包括额定设计风速、切入 风速、切出风速以及相应的湍流条件等。 气动性能指标 气动设计需要确定叶片的气动功能特性，如风能利用系数CP、推 力系数CQ、转矩系数CT等指标。
风力发电机组关键性零部件设计与优化
风力发电机组关键性零部件设计与优化随着可再生能源的快速发展，风力发电已成为世界各地广泛采用的清洁能源之一。
风力发电机组是风能转化为电能的关键设备，其中关键性零部件的设计和优化尤为重要。
本文将讨论风力发电机组的关键性零部件设计及优化方案。
一、风力发电机组简介风力发电机组是利用风能驱动发电机转动，将机械能转化为电能。
它主要包括风轮、齿轮传动系统、发电机、控制系统等组成部分。
在这些组成部分中，存在着一些关键性零部件，它们直接影响着风力发电机组的性能和可靠性。
二、关键性零部件的设计与优化1. 风轮设计与优化风轮是风力发电机组中最主要的部件之一，它承受着风能的直接作用力。
风轮的设计与优化需要考虑以下几个方面：- 材料选择：选择具有良好强度、耐腐蚀性和轻量化特性的材料，以减小风轮的重量，提高旋转的效率。
- 气动外形设计：通过数值模拟和实验测试，优化风轮的空气动力学特性，使其在各个风速下都能提供更高的效能。
- 结构强度分析：通过有限元分析等方法，确保风轮在高风速和恶劣气候条件下依然能够安全运行。
- 动态平衡与减振设计：风轮在高速旋转时容易产生振动，需要采取相应的动平衡和减振措施，以减小振动带来的损耗和噪音。
2. 齿轮传动系统设计与优化齿轮传动系统是风力发电机组中实现功率转换的关键部分。
其设计与优化需要考虑以下几个方面：- 齿轮参数选择：根据发电机组的功率和转速要求，选取合适的齿轮模数、齿数和齿轮材料，以提高传动效率和可靠性。
- 齿轮啮合优化：通过优化齿轮副的啮合表面形状和啮合间隙，减小齿轮传动的摩擦和噪音。
- 动力学分析：通过有限元分析和动力学仿真，确定齿轮传动系统在不同负载和工况下的可靠性和工作性能。
- 润滑与冷却设计：齿轮传动系统需要适当的润滑和冷却，以降低摩擦、磨损和热量产生，延长齿轮的使用寿命。
3. 发电机设计与优化发电机是将机械能转化为电能的关键设备，其设计与优化需要考虑以下几个方面：- 磁路设计：通过优化发电机的铁心结构和磁路材料，提高电能转换效率和磁通稳定性。
600kw风力发电机组风轮叶片设计说明
惠騰公司600kW风轮叶片设计技术介绍1、概述中航(保定)惠騰风电设备有限公司是由保定惠阳航空螺旋桨制造厂、中国航空工业燃机动力（集团）公司、美国美腾能源公司三方投资兴建的中美合作经营企业。
主要开发、制造系列化的风力发电机组风轮叶片、风力发电机组的相关产品和各种复合材料产品。
公司投资总额3500万元，注册资金1750万元；公司于2001年1月正式成立，共有员工120人。
公司坐落于河北省保定国家高新技术产业开发区，占地40余亩，厂房及辅助面积6000多平方米。
600kW风力发电叶片是公司的主导产品。
年生产规模为200台600kW风力发电机组风轮叶片。
目前正在开发750kW和MW级叶片。
其中750kW叶片试验件和首台样机已经制造完成，目前正在进行场内各项试验工作。
惠腾公司于2001年底被河北省认定为高新技术企业，2002年底通过了中国船级社质量认证公司的ISO9001-2000质量管理体系认证。
首台样机安装在新疆达坂城风电场，于2000年8月投入运行；截止到2003年11月，共生产600kW叶片120多台，安装在新疆达坂城、河北承德、辽宁大连、辽宁营口、甘肃玉门等风电场。
公司将以国内外市场需求为导向，开发、研制系列化风力发电叶片，为客户提供高质量、高可靠性、技术水平世界领先的产品。
信誉至上、科技领先、质量为本、优质服务是公司的宗旨。
惠腾公司除主要生产600kW风电叶片外，还设计、制造系列风电机组叶片。
我们拥有根据用户具体需要设计、制造各种规格、各种类型风电叶片的能力。
本公司的工程技术人员拥有多年的复合材料产品加工制造经验，因此在复合材料设计、制造、维护和损伤修复等方面具备丰富经验。
对各型复合材料叶片进行及时、可靠、经济的修复是我们对客户的承诺。
2、设计部分风力发电机组，实质上是一个风能转换系统，首先由风轮叶片将捕捉的风能转换为风轮的旋转机械能，然后由风轮驱动发电机发电。
它涉及空气动力学、结构力学、结构动力学、复合材料结构力学、机械振动、复合材料工艺、疲劳强度、防雷击保护和防腐蚀保护等许多领域；风力发电机组性能、载荷、振动、稳定性等很大程度上取决于风轮叶片。
16个创意风力发电设计
翼帆在设计 上驱动 蓝鸟 以创纪录的 速度在 西部盐漠平地 前进 !2 0 年 , 0 9
在西藏人眼里, 转经轮在宗教上 的意义与真正的祈祷者没什么两样 ! 我们不清楚的是 , 当自给 自足的风能 祈祷轮转动时, 究竟哪个人受到祝福 !
从 精神 的层面 上 说 , 每一 次 有 风经 过
比传统的风 电厂 占据更少空间 !由于
锥形高塔组成 , 连接高塔的巨桥装有 3个大型风轮机 ,每一个的直径达到约 30 米 !高塔的锥形设计能够让风高速 从塔的中间穿过 , 进而产生最多电力 !
矍 媛 34 翼 黔 味 臀
X 褂
X dang
罐
这种特殊的移动方式 , 磁悬浮风轮机 也可 以旋转 并在风速极 低情 况下发
电, 与风电厂的传统涡轮形成鲜明对
纪录发起冲击 !侧部的 翼 可实现在
地面行进时的稳定性 , 垂直的坚 固类
车就是一个陆上帆船 !巨大的风轮机
安装在细长而雅致 的旋转座架上 , 允 许驾驶者在任何风向条件下朝不同方 向前进 ! 9. 磁悬浮高效风轮机 在利用风能方面的一个最大缺陷 就是很多能量都被移动组件间的摩擦 力消耗 !利用磁铁系统减少摩擦力同 时让涡轮机 的旋转 零件处 于悬浮状 态 ,这种设计不仅提高能效 , 同时还要
火 环 # ∀
易于获得和无处不在方ຫໍສະໝຸດ , 纳米 气孔 皮肤 可能是最聪明的设计之一 ! 简单 地说 ,所谓 的纳米 气孔皮肤 是指一 个 由无数微型涡轮 编织 后形成的一 个系统 , 这种类似织物 的系统能够以 任何形状和面积加 以 部署 , 即附在 建筑物表面 !虽然每一个涡轮只产生 极小电量 , 但无数涡轮齐上阵却可形
在迪拜这个技术革新和可持续发 展实验 重地 , 我们经常能发现 一些 非常有趣的事情 , 风能利用自然也不 例外 ! 在设计上, 这个外表漂亮但又有
(风力发电厂)毕业设计
湖南水利水电职业技术学院Hunan Technical College of Water Resources and Hydro Power毕业设计成果姓名：XXXX专业：发电厂及电力系统班级：10级发电厂及电力系统一班学号：20103501XXXX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：风力机叶片翼型坐标变换风电场机组布置方案（图）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。
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。
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。
参数研究 风电机叶轮设计
叶轮设计参数研究摘要：设计优良的叶轮是使风力发电机获得最大经济效益的基础。
在风机设计时如何确定叶轮设计参数一直是风机设计研究的重要内容。
为此必须在明确设计条件、设计规范的基础上，研究叶片设计参数的影响因素、参数确定方法和取值范围。
风轮设计参数包括： 1）风轮叶片数B ；2）风轮直径D ；3）设计风速V1；4）风轮转速Ω；5）尖速比0λ；6）实度0σ；7）其它：风轮锥角，风轮倾角等。
根据风场实际，结合国内外设计资料，运用相关理论，采用对比、归纳、建模计算等方法，给出叶轮设计参数的工程确定方法与实例。
关键词：风力发电， 风机叶轮， 设计参数中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：To do research for the design parameter of wind rotor in great power wind generatorQugui Yangyong Wuxiaodan(Department of Mechatronic Engineering ，GuangDong Polytechnic Normal University ，Guangzhou 510635，China )Abstract:Based on better designed wind turbine, better economic profit can be gained. In the course of designing wind turbine, it is the important part in designing research that how to make the parameter for wind turbines certain. Therefor we need being definitude concerning the condition and criterion, re.search.the influence factor of design parameter.1)The amount of blade B;2) The diameter of wind turbines D;3) designing wind speed V;4）Rotate speed of wind turbine Ω;5)The ratio with bladetineand and wind speed 0λ;6)The ratio of acreage 0σ;7) the other parameter: cone angle , obliquity of wind turbine and so on. Bases the fact of the wind farm, link the designing datum , application of the concerned theory, the engineering method of designing wind turbine is confirmed with the contrast, epagoge and modeling calculation.Keywords: wind power generating ， wind rotor ，design parameter0 引言要完成风力发电机的叶轮设计，必须首先确定叶轮设计参数。
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桨叶的外形设计和优化
桨叶的外形设计
设计方法一 设计方法二
桨叶的外形优化
Glauert优化方法 Wilson优化方法
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1
桨叶的外形设计
设计方法一
• 设已知： ▫ 风轮叶尖速比l0，直径D，叶片数B和剖面翼型。 • 求叶片外形：
▫ 叶片来流角f ，从而确定叶片扭角q ，确定各剖 面弦长C。
= a( 1 - a )
（15）
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18
桨叶的外形优化
【4】风能利用系数： 风轮半径r处的风轮轴功率为：
l0
dP = dM = 4 r 3 2 b( 1 - a )V1dr
dP = 8
（16）
风能利用系数：
Cp =
0
1 3 2 R V1 2
l0
2
l0
0
b( 1 - a )l3 dr
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2
桨叶的外形设计
【1】求来流角f ：
风轮处风速V在最佳运行条件下，则有：
2 V = V1 3 其中，V1为来流风速。
由右图可知：
3 r 3 r 则： cot f = = = l0 V 2 V1 2 R
r
3 r f = arc cot( l0 ) 2 R
（ 1）
攻角a 为满足升阻比L/D在最大值附近，再根据q=f-a 来确定叶片扭 角。
桨叶的外形优化
【5】叶片外形计算：
(1- a ) 1 利用公式： f = arctg (1 b ) l
计算来流角f 。
r 8a sin2 f 利用公式（12），且不计阻力，可得：C = BCl ( 1 - a ) cos f
(19)
如果攻角a 已知，则可查到CL ，根据叶片数B就可求出C,叶片的扭角q 也可由公式q=f-a求得。
BCCl cos f ( 1 - aF )aF = 2 8r sin f ( 1 - a )2
由以上两式可得到能量方程： a( 1 - aF
BCCl bF = 8r cos f ( 1 b )
（20）
) = b( 1 b )l2
B R-r f = 2 R sin f
（21）
上面式中F为叶稍损失系数，由下式来计算：
C x = C l cos f Cd sinf
C y = C l sinf - C d cos f
1 2 dT = BdF = W BCC x dr （8） 故：风轮半径r处叶素的轴向推力为： x 2 1
转矩为：dM
= BdFy r =
2
W 2 BCC y rdr
（ 9）
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桨叶的外形优化
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桨叶的外形设计
【10】计算扭角q ：
根据 ac ，计算扭角q : q=f-ac
【11】绘制精确的叶片和翼型图。
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13
桨叶的外形优化
一、Glauert优化设计法：
Glauert优化设计法是考虑了风轮后涡流流动的叶素理论（即考虑 了干扰因子a和b），但在另一方面，该方法忽略了叶片翼型阻力 和叶稍损失的影响，这两者对叶片外形设计的影响较小，仅对风 轮的效率影响较大。运用该方法应注意两点：1、对接近根部处的 过大弦宽和扭角须进行修正；2、对所设计的外形，应计算其功率 特性曲线，然后再据此对外形作必要的修正。
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23
桨叶的外形优化
【3】叶片的外形计算：
一旦对应于最大的dCp/dl 值的干涉因子a、b和相应的稍部损失系数F求 得后利用式（20）可得：
BCCl ( 1 - aF )aF 8 sin2 f = r ( 1 - a )2 cos f
BCC l
(23)
由上式就能得到每个剖面的最佳 r 每个剖面的弦宽C和扭转角q 。
l0 =
( D / 2 )
V1
【3】 确定叶轮实度s和叶片数目B ： 如右图所示：根据叶尖速比l0 ,确定风轮实度 s 。
B = As / Ab s = BAb / A ，确定叶片数目： 根据： Ab指叶片无扭角时在风轮旋转平面上的投影面积。
A指风轮扫略面积。
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9
桨叶的外形设计
【4】计算各剖面的叶尖速比l : 将风轮分为10个剖面，每个剖面间隔0.1R,根据下式求各剖面的叶尖 速比l 。
（17）
求最大风能利用系数时，就归结为（15）和（17）的条件极值问题，通过运算可得:
bl2 = ( 1 - a )( 4a - 1 )
1 - 3a b= 4a - 1
（18）
这样对每一个给定的l值，利用式(18)就可求得相应的a、b值,由公式(17)就 可求出最大风能利用系数(Cp)max。
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rN = Cl B
，若根部弦
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11
桨叶的外形设计
【8】计算叶片展弦比Sp:
平均弦宽
C = C( i ) / n
i =1
n
则展弦比
R Sp = C
【9】对攻角a进行修正： 根据叶片的展弦比， 对攻角a 0 按下式进行修正，修正后的攻角为
Cl 3 ac = a0 (1 ) 0.11 Sp
BCC x a = 1 - a 8r sin2 f
BCC y b = 1 b 4r sin 2f
（12）
由（9）＝（11）可得：
（13）
如果忽略叶型阻力，则：
C x C l cos f
C y C l sinf
2
（14）
则（12）（13）（14）联立导出能量方程：b( 1 b )l
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桨叶的外形设计
设计步骤：
【1】计算风轮直径D：
由：
1 3 P = V1 D 2C ph1h 2 8
D= 8P 3 V1 C ph 1h 2
求得：
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8
桨叶的外形设计
【2】确定叶尖速比l0 : 根据风力机设计风速V1，叶轮转速可取 ，由于 风轮直径D已经确定，故求得合适的叶尖速比l0 。
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桨叶的外形优化
【1】基本关系：
在风轮旋转平面处气流轴向速度：
在风轮半径r处的切向速度为：
V = V1 ( 1 - a )
U = ( 1 b )r
据右图，半径r处的来流角f可写成如下关系式：
(1- a ) 1 (1- a ) 1 tgf = f = arctg 故， (1 b ) l (1 b ) l
r l = l0 R
【5】确定每个剖面的来流角f: 可根据右图来确定每个剖面的来流角f， 也可根据公式 cot f = 3 l ，来计算。
2
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桨叶的外形设计
【6】确定每个剖面的形状参数N:
可根据公式： N =
16 9
l0
R/r 4 2 r l0 ( ) 2 R 9
求得。
【7】计算弦长C: 对于每个计算点，使用下列公式计算弦长：C 宽太大，可进行线化或其他修正。
（ 3）
4
故：
1 V 2 cdr dT = C l B cos( f - ) 2 2 sin f cos
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桨叶的外形设计
由（2）＝（3）得：
sin2 f cos tg 2f cos f C l BC = 4r = 4r cos( f - ) 1 tgftg
将（1）带入（4）得：
由动量理论得风轮半径r处叶素的轴向推力为：
dT = m(V1 - V2 ) = 4rV1 (1 - a)adr
2
（10）
转矩为：
dM = mr w = 4r V1 (1 - a)bdr
2 3
（11）
上两式中m为单位时间内的质量流量。
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桨叶的外形优化
【3】导出干扰因子a和b及其关系式: 由（8）＝（10）可得：
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【2】推力和转矩：
1 由叶素理论： dL = W 2 CC l dr 2
1 dD = W 2CCd dr 2
1 dFx = dL cos f dD sinf = W 2CC x dr 2 1 dFy = dL sinf - dD cos f = W 2CC y dr 2
F=
2
arccos( e
-f
)
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桨叶的外形优化
【2】局部最佳分析：
当涉及稍部损失时局部风能利用系数可由下式确定：
dC p =
8
l2
b( 1 - a )Fl dl
3（22）Fra bibliotek可用迭代法计算干涉因子a、b，使干涉因子a、b在同时满足(21)的条件下 使 dCp/dl ，达到最大，通过迭代计算，在每个剖面上可以得到使dCp/dl 值取得最大值的干涉因子a、b及其相应的稍部损失系数F
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20
桨叶的外形优化
二、Wilson方法：
该方法对Glauert设计方法作了改进，研究了稍部损失和升阻比对叶片最 佳性能的影响，还研究了风轮在非设计状态下的性能。
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桨叶的外形优化
【1】基本关系式： 首先考虑到升阻比对轴向和切向干涉因子影响较小，故在设计气动外形 时，本方法不计阻力影响，但考虑稍部损失的影响。 可以得到如下关系式：
（4）
16 C l BC = 9
R 4 2 l l (1 tg ) 9 3l
2
（ 5）
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5
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由于：
l0 =
R
V1
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设计方法一 设计方法二
桨叶的外形优化
Glauert优化方法 Wilson优化方法
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1
桨叶的外形设计
设计方法一
• 设已知： ▫ 风轮叶尖速比l0，直径D，叶片数B和剖面翼型。 • 求叶片外形：
▫ 叶片来流角f ，从而确定叶片扭角q ，确定各剖 面弦长C。
= a( 1 - a )
（15）
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18
桨叶的外形优化
【4】风能利用系数： 风轮半径r处的风轮轴功率为：
l0
dP = dM = 4 r 3 2 b( 1 - a )V1dr
dP = 8
（16）
风能利用系数：
Cp =
0
1 3 2 R V1 2
l0
2
l0
0
b( 1 - a )l3 dr
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2
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【1】求来流角f ：
风轮处风速V在最佳运行条件下，则有：
2 V = V1 3 其中，V1为来流风速。
由右图可知：
3 r 3 r 则： cot f = = = l0 V 2 V1 2 R
r
3 r f = arc cot( l0 ) 2 R
（ 1）
攻角a 为满足升阻比L/D在最大值附近，再根据q=f-a 来确定叶片扭 角。
桨叶的外形优化
【5】叶片外形计算：
(1- a ) 1 利用公式： f = arctg (1 b ) l
计算来流角f 。
r 8a sin2 f 利用公式（12），且不计阻力，可得：C = BCl ( 1 - a ) cos f
(19)
如果攻角a 已知，则可查到CL ，根据叶片数B就可求出C,叶片的扭角q 也可由公式q=f-a求得。
BCCl cos f ( 1 - aF )aF = 2 8r sin f ( 1 - a )2
由以上两式可得到能量方程： a( 1 - aF
BCCl bF = 8r cos f ( 1 b )
（20）
) = b( 1 b )l2
B R-r f = 2 R sin f
（21）
上面式中F为叶稍损失系数，由下式来计算：
C x = C l cos f Cd sinf
C y = C l sinf - C d cos f
1 2 dT = BdF = W BCC x dr （8） 故：风轮半径r处叶素的轴向推力为： x 2 1
转矩为：dM
= BdFy r =
2
W 2 BCC y rdr
（ 9）
16
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桨叶的外形优化
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12
桨叶的外形设计
【10】计算扭角q ：
根据 ac ，计算扭角q : q=f-ac
【11】绘制精确的叶片和翼型图。
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13
桨叶的外形优化
一、Glauert优化设计法：
Glauert优化设计法是考虑了风轮后涡流流动的叶素理论（即考虑 了干扰因子a和b），但在另一方面，该方法忽略了叶片翼型阻力 和叶稍损失的影响，这两者对叶片外形设计的影响较小，仅对风 轮的效率影响较大。运用该方法应注意两点：1、对接近根部处的 过大弦宽和扭角须进行修正；2、对所设计的外形，应计算其功率 特性曲线，然后再据此对外形作必要的修正。
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桨叶的外形优化
【3】叶片的外形计算：
一旦对应于最大的dCp/dl 值的干涉因子a、b和相应的稍部损失系数F求 得后利用式（20）可得：
BCCl ( 1 - aF )aF 8 sin2 f = r ( 1 - a )2 cos f
BCC l
(23)
由上式就能得到每个剖面的最佳 r 每个剖面的弦宽C和扭转角q 。
l0 =
( D / 2 )
V1
【3】 确定叶轮实度s和叶片数目B ： 如右图所示：根据叶尖速比l0 ,确定风轮实度 s 。
B = As / Ab s = BAb / A ，确定叶片数目： 根据： Ab指叶片无扭角时在风轮旋转平面上的投影面积。
A指风轮扫略面积。
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【4】计算各剖面的叶尖速比l : 将风轮分为10个剖面，每个剖面间隔0.1R,根据下式求各剖面的叶尖 速比l 。
（17）
求最大风能利用系数时，就归结为（15）和（17）的条件极值问题，通过运算可得:
bl2 = ( 1 - a )( 4a - 1 )
1 - 3a b= 4a - 1
（18）
这样对每一个给定的l值，利用式(18)就可求得相应的a、b值,由公式(17)就 可求出最大风能利用系数(Cp)max。
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rN = Cl B
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【8】计算叶片展弦比Sp:
平均弦宽
C = C( i ) / n
i =1
n
则展弦比
R Sp = C
【9】对攻角a进行修正： 根据叶片的展弦比， 对攻角a 0 按下式进行修正，修正后的攻角为
Cl 3 ac = a0 (1 ) 0.11 Sp
BCC x a = 1 - a 8r sin2 f
BCC y b = 1 b 4r sin 2f
（12）
由（9）＝（11）可得：
（13）
如果忽略叶型阻力，则：
C x C l cos f
C y C l sinf
2
（14）
则（12）（13）（14）联立导出能量方程：b( 1 b )l
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设计步骤：
【1】计算风轮直径D：
由：
1 3 P = V1 D 2C ph1h 2 8
D= 8P 3 V1 C ph 1h 2
求得：
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【2】确定叶尖速比l0 : 根据风力机设计风速V1，叶轮转速可取 ，由于 风轮直径D已经确定，故求得合适的叶尖速比l0 。
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【1】基本关系：
在风轮旋转平面处气流轴向速度：
在风轮半径r处的切向速度为：
V = V1 ( 1 - a )
U = ( 1 b )r
据右图，半径r处的来流角f可写成如下关系式：
(1- a ) 1 (1- a ) 1 tgf = f = arctg 故， (1 b ) l (1 b ) l
r l = l0 R
【5】确定每个剖面的来流角f: 可根据右图来确定每个剖面的来流角f， 也可根据公式 cot f = 3 l ，来计算。
2
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【6】确定每个剖面的形状参数N:
可根据公式： N =
16 9
l0
R/r 4 2 r l0 ( ) 2 R 9
求得。
【7】计算弦长C: 对于每个计算点，使用下列公式计算弦长：C 宽太大，可进行线化或其他修正。
（ 3）
4
故：
1 V 2 cdr dT = C l B cos( f - ) 2 2 sin f cos
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由（2）＝（3）得：
sin2 f cos tg 2f cos f C l BC = 4r = 4r cos( f - ) 1 tgftg
将（1）带入（4）得：
由动量理论得风轮半径r处叶素的轴向推力为：
dT = m(V1 - V2 ) = 4rV1 (1 - a)adr
2
（10）
转矩为：
dM = mr w = 4r V1 (1 - a)bdr
2 3
（11）
上两式中m为单位时间内的质量流量。
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【3】导出干扰因子a和b及其关系式: 由（8）＝（10）可得：
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【2】推力和转矩：
1 由叶素理论： dL = W 2 CC l dr 2
1 dD = W 2CCd dr 2
1 dFx = dL cos f dD sinf = W 2CC x dr 2 1 dFy = dL sinf - dD cos f = W 2CC y dr 2
F=
2
arccos( e
-f
)
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【2】局部最佳分析：
当涉及稍部损失时局部风能利用系数可由下式确定：
dC p =
8
l2
b( 1 - a )Fl dl
3（22）Fra bibliotek可用迭代法计算干涉因子a、b，使干涉因子a、b在同时满足(21)的条件下 使 dCp/dl ，达到最大，通过迭代计算，在每个剖面上可以得到使dCp/dl 值取得最大值的干涉因子a、b及其相应的稍部损失系数F
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二、Wilson方法：
该方法对Glauert设计方法作了改进，研究了稍部损失和升阻比对叶片最 佳性能的影响，还研究了风轮在非设计状态下的性能。
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【1】基本关系式： 首先考虑到升阻比对轴向和切向干涉因子影响较小，故在设计气动外形 时，本方法不计阻力影响，但考虑稍部损失的影响。 可以得到如下关系式：
（4）
16 C l BC = 9
R 4 2 l l (1 tg ) 9 3l
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由于：
l0 =
R
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