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风力机叶片课程设计

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课程设计--风力机分解

课程设计--风力机分解

机械与动力工程学院风力机空气动力学课程设计设计题目：小型三叶片风力机叶片设计设计人：王伦班级：风能1101组号： 4指导教师：姚桂焕设计时间：2周成绩：日期：2014.6.23-2014.7.4设计内容及要求第一章风力机发展程风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。

其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×10^9MW，其中可利用的风能为2×10^7MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。

风很早就被人们利用--主要是通过风车来抽水、磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电。

把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。

风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。

依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。

风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。

1.1风力机简介风力机，将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。

广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。

许多世纪以来，它同水力机械一样，作为动力源替代人力、畜力，对生产力的发展发挥过重要作用。

近代机电动力的广泛应用以及20世纪50年代中东油田的发现，使风力机的发展缓慢下来。

70年代初期，由于“石油危机”，出现了能源紧张的问题，人们认识到常规矿物能源供应的不稳定性和有限性，于是寻求清洁的可再生能源遂成为现代世界的一个重要课题。

风能作为可再生的、无污染的自然能源又重新引起了人们重视。

1.2风力机简史风车最早出现在波斯，起初是立轴翼板式风车，后又发明了水平轴风车。

风车传入欧洲后，15世纪在欧洲已得到广泛应用。

荷兰、比利时等国为排水建造了功率达66千瓦（90马力）以上的风车。

18世纪末期以来，随着工业技术的发展，风车的结构和性能都有了很大提高，已能采用手控和机械式自控机构改变叶片桨距来调节风轮转速。

风力机 课程设计

风力机 课程设计

风力机课程设计一、 设计任务1） 基于叶素和动量理论设计设计水平轴风力机叶片； 2） 绘制风力机叶片弦长随叶片展向长度的变化曲线； 3） 绘制风力机叶片扭角随叶片展向长度的变化曲线； 4） 绘制设计风力机的性能曲线；5） 绘制设计叶片的图纸，以及各位置的叶片翼型结构图纸； 6） 编写设计说明书，并附上必要的计算公式 二、 基础理论切向速度： 轴向速度： 叶素合成流速： 入流角：sin Φ=(1)U a w ∞- cos Φ=(1')2r a aΩ+ 攻角：α=Φ-β垂直分力：sin cos y l d C C C =Φ-Φ 水平分力：cos sin x l d C C C =Φ+Φ 迭代方程：22214sin 4sin r rx y a C C a σσ=[()-]-ΦΦ2'14sin r ya C a σ=-Φλμ叶片弦长实度： 22r N c N cR Rσ==ππμ 叶素单位圆环扇面：24()'(1)M U r a a r r δ∞δ=πρΩ-0(1')y V r a =Ω+w ==01(1)x V V a =-风能利用系数表达式： 3212p P C U R ρ∞=π翼型与尖速比的关系：2r l C σλ=风轮直径设计：D =三、 设计流程图四、 计算说明书所选翼型为：NACA 2413 最大升阻比：l dC C = 89.2912l C =0.8513 d C =0.0095表1 风轮直径和转速表2 μ=0.1时迭代结果表3 μ=0.2时迭代结果表4 μ=0.3时迭代结果表5 μ=0.4时迭代结果表6 μ=0.5时迭代结果表7 μ=0.6时迭代结果表8 μ=0.7时迭代结果表9 μ=0.8时迭代结果表10 μ=0.9时迭代结果表11 μ=1时迭代结果表12 p C值校验（C取值为0.4）pP =ΩM ∑= 12820.5180813881×7.8= 100000.041034827W将以上P 值带入，所以 p C 校验值为：3212p PC U R ρ∞=π= 0.399975541775801p C 取值为0.4 所以：p C 误差为p p p C C C ε-=计算假设假设==-0.00611%表13 设计总结c-μ图β-μ图表14C-λ关系p。

风力机的叶片课程设计

风力机的叶片课程设计

风力机的叶片课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解风力发电的基本原理，掌握风力机叶片设计的基本概念。

2. 学生能够描述风力机叶片的几何特征，如翼型、弦长、扭角等，并解释它们对风力机性能的影响。

3. 学生能够运用物理知识分析风力机叶片在气流中的受力情况及其能量转换过程。

技能目标：1. 学生能够运用所学知识，通过小组合作设计简单的风力机叶片模型。

2. 学生能够利用技术工具（如CAD软件）进行风力机叶片的设计与模拟。

3. 学生能够通过实验和数据分析，评估不同叶片设计对风力机效率的影响。

情感态度价值观目标：1. 学生能够认识到风力发电对环境保护和可持续发展的重要性，培养对可再生能源的积极态度。

2. 学生在团队协作中培养沟通、合作与解决问题的能力，增强合作意识和集体荣誉感。

3. 学生通过实践探索，激发对科学研究的兴趣，培养勇于创新、不断探究的科学精神。

本课程针对高年级学生，结合物理、工程与技术知识，旨在通过风力机叶片的设计与制作，使学生在掌握相关知识的同时，提高实践操作能力，培养科学探究和创新思维，同时强化环保意识和团队协作精神。

课程目标的设定符合学生认知特点，强调理论与实践的结合，注重培养学生的综合运用能力和实际操作技能。

二、教学内容本章节教学内容围绕风力机叶片的设计原理和制作过程展开，结合课本相关章节，具体包括：1. 风力发电原理：讲解风力发电的基本原理，介绍风力机叶片在风力发电中的作用。

2. 叶片设计基础知识：阐述叶片的几何参数，如翼型、弦长、扭角等，分析这些参数对风力机性能的影响。

3. 叶片材料与结构：介绍常用叶片材料及其特点，分析叶片结构设计对风力机性能的影响。

4. 叶片设计方法：讲解风力机叶片的设计方法，如经验法、优化法等，并指导学生运用CAD软件进行叶片设计。

5. 叶片模型制作：指导学生分组进行叶片模型的制作，掌握模型制作的基本步骤和技巧。

6. 实验与数据分析：进行风力机叶片性能测试实验，收集数据，分析不同叶片设计对风力机效率的影响。

风力机叶片课程设计(空气动力学)设计报告

风力机叶片课程设计(空气动力学)设计报告

.课程设计(综合实验)报告( -- 年度第一学期)名称：题目：院系：班级：学号：学生姓名：指导教师：设计周数：成绩：日期：一、目的与要求本次课程设计的主要目的：1.掌握动量叶素理论设计风力机叶片的原理和方法2.熟悉工程中绘图软件及办公软件的操作3.掌握科研报告的撰写方法本次课程设计的主要要求：1．要求独立完成叶片设计参数的确定，每人提供一份课程报告2．每小组提供一个手工制作的风力机叶片二、主要内容设计并制作一个风力机叶片1．原始数据三叶片风力机功率P＝6.03KW来流风速7m/s风轮转速72rpm风力机功率系数Cp＝0.43传动效率为0.92发电机效率为0.95空气密度为1.225kg/m3全班分为2个小组，每个小组采用一种风力机翼型，翼型的气动数据（升力系数，阻力系数，俯仰力矩系数）已知。

2．设计任务2.1风力机叶片设计：根据动量叶素理论对各个不同展向截面的弦长和扭角进行计算，按比例画出弦长、扭角随叶高的分布。

2.2根据以上计算结果手工制作风力机叶片，给出简单的制作说明。

三、进度计划四、数据计算选用翼型s819(一) 叶片半径的计算：由风力发电机输出功率：212381ηηπρP r C D V P =得，叶片直径：m C V PD P r10.37.048.08234.1800883213=⨯⨯⨯⨯⨯==πηηπρ叶片半径：m D R 55.123.12===(二) 叶尖速比的计算： 整个叶片的叶尖速比：31.57329.460/72260/2110=⨯⨯=⨯=Ω=ππλv R n V R半径r 处的叶尖速比：10V r Ω=λ ①设计中取9处截面，分别是叶片半径的20%处，叶片半径的30%处，叶片半径的40%处，叶片半径的50%处，叶片半径的60%处，叶片半径的70%处，叶片半径的80%处，叶片半径的90%处，则由式①得到各截面处的叶尖速比分别为：60.01%20%10=⨯=VRωλ1.201%20%20=⨯=V Rωλ1.801%30%30=⨯=V Rωλ40.21%40%40=⨯=V Rωλ00.31%50%50=⨯=V Rωλ3.601%60%60=⨯=V Rωλ20.41%70%70=⨯=V Rωλ80.41%80%80=⨯=VR ωλ60.51%90%90=⨯=VRωλ00.61%90%100=⨯=V Rωλ各截面处翼型弦长：确定每个剖面的形状参数N:可根据公式：求得：由弦长计算公式并由表1查得最大升力系数 L C = ，风机叶片数 B=3，再将各截面处的叶尖速比代入式得叶片半径20%截面处弦长： 1.111705942%)20(200916%)10(=+=λλπB l C RC叶片半径20%截面处弦长： 1.111705942%)20(200916%)20(=+=λλπB l C RC叶片半径30%截面处弦长： 0.807238942%)30(200916%)30(=+=λλπB l C RC叶片半径40%截面处弦长： 0.62619194%)40(9162200%)40(=+=λλπB C RC l叶片半径50%截面处弦长： 0.50924394%)50(9162200%)50(=+=λλπB C RC l叶片半径60%截面处弦长： 0.42826894%)60(9162200%)60(=+=λλπB C RCl叶片半径70%截面处弦长： 0.36914794%)70(9162200%)70(=+=λλπB C RC l叶片半径80%截面处弦长： 0.3241994%)80(9162200%)80(=+=λλπB C RCl叶片半径90%截面处弦长： 0.28889994%)90(9162200%)90(=+=λλπB C RC l94)(/9162200+=R r rR N λλπ94)(9162200+==R r B C RBC rNC l l λλπ(三) 各截面处翼型的扭角：图1由图1知各截面处的扭角 ：αφθ-=其中φ为各截面处的入流角，α为翼型临界攻角，且由表2-1查得最大升力系数对应的攻角为α =5°， 即为翼型临界攻角根据相关关系式就可以通过迭代方法求得轴向诱导因子a 和周向诱导因子b ，迭代步骤如下： 假设a 和b 的初值，一般可取0；（2）计算入流角；()()r b V a Ω+-=11arctan1φ（3）计算迎角α = φ -θ；（4）根据翼型空气动力特性曲线得到叶素的升力系数Cl 和阻力系数Cd ； （5）计算叶素的法向力系数Cn 和切向力系数Ctφφφφcos sin sin cos d l t d l n C C C C C C -=+=（6）计算a 和b 的新值2πBc r σ=φφσφσcos sin 41sin 412F C b b F C a a t n =+=-（7）比较新计算的a 和b 值与上一次的a 和b 值，如果误差小于设定的误差值（一般可取0.001），则迭代终止；否则，再回到（2）继续迭代。

风力机叶片的设计ppt课件

风力机叶片的设计ppt课件

73.1583
-0.0125
75.252
-0.011
76.5039
-0.0093
75.8358
-0.0075
7风7力.7机3叶72 片的设计-0.0063
风力机叶片的设计
（5）、确定各个截面的安装角和弦长。
1）、确定翼型的设计升力系数和最佳攻角 2）、应用Glauert方法设计
风力机叶片的设计
1）、确定翼型的设计升力系数和最佳攻 角 根据Profili软件输入翼型型号NACA23012,可得到表3-1和图3-1、图3-2、图3-3及图3-4如下所示
0.01 0.0103 0.0107
0.011 0.0114
0.012 0.0123 0.0127 0.0134 0.0137
Cl/Cd
Cm
-30.917
-0.0119
-34.019
-0.0078
-35
-0.0043
-35.7263
-0.0014
-33.976
-0.0049
-31.9481
-0.009
Alfa -8
-7.5 -7
-6.5 -6
-5.5 -5
-4.5 -4
-3.5 -3
-2.5 -2
-1.5 -1 0
0.5 1
1.5 2
2.5 3
3.5 4
4.5 5
5.5 6
6.5 7
7.5 8
8.5
Cl -0.7451 -0.7144
-0.679 -0.6395 -0.5674
-0.492 -0.4268
350 1400
1.13
4
r
r4 R
4.51

风力机叶片课程设计

风力机叶片课程设计

第二章 风力机设计理论 2.1 翼型基本知识
翼型几何参数
如图所示在风轮半径:处取一宽度为 dr 的叶素，翼型的气动性能直接与翼型 外形有关。通常，翼型外形由下列几何参数确定: (l)翼的前缘:翼的前头 A 为一圆头; (2)翼的后缘:翼的尾部 B 为尖型; (3)翼弦:翼的前缘左与后缘 B 的连线称翼的弦，左 B 的长是翼的弦长已 (4)翼的上表面:翼弦上面的弧面; (5)翼的下表面:翼弦下面的弧面; (6)翼的最大厚度 h:翼上表面与下表面相对应的最大距离; (7)叶片安装角 e:风轮旋转平面与翼弦所成的角; (8)迎角(攻角)a:翼弦与相对风速所成的角度; (9)入流角功:旋转平面与相对风速所成的角。
风轮半径为 r 处环素上的推力为：
转距为： 式中 B 一为叶片数。
干扰系数，又称为诱导系数，共有两个：一个是轴向干扰系数 a，另一个是 切向干扰系数 b。它们的物理意义就是气流通过风轮时，风轮对气流速度的影响。 换言之，气流在通过风轮时，气流的轴向速度与切向速度都要发生变化。而这个 变化就是以 a、b 为系数时对气流速度所打的折扣。
中国利用风车的历史至少不晚于 13 世纪中叶，曾建造了各种形式的简易风 车碾米磨面、提水灌溉和制盐。直到 20 世纪 50 年代仍可见到“走马灯”式风车。
1.3 风力机的特点
新一代风力机的特点是：①增强抗风暴能力；②风轮叶片广泛采用轻质材料, 如玻璃纤维复合材料等；③运用近代航空气体动力学成就使风能利用系数提高到 0.45 左右；④用微处理机控制，使风力机保持在最佳运行状态；⑤发展风力机
我国风力发电起步较晚，但发展较快。自 80 年末引进大型风力发电机以来， 经过十多年的不断引进、消化、吸收，积累了一定的经验。我国并网型风力发电 技术在 80 年代中期开始进行试验、示范，经过二十多年的努力，为今后进行国 产化风力发电机组的规模化生产打下了一定的基础，同时也为推动国家风电产业 化进程做出了努力。

风力发电课程设计 风力机叶片设计


展望：未来叶片设计将更加 注重提高风能利用效率和可 靠性
技术进步：叶片设计将采用 更先进的材料和制造工艺， 提高叶片的强度和耐用性
优化设计：通过优化叶片形 状和结构，提高风能利用效 率和可靠性
智能控制：通过智能控制技 术，提高叶片的运行效率和 可靠性
环保要求：叶片设计需要满 足环保要求，降低对环境的 影响
叶片长度：60米
叶片重量：10吨
叶片设计特点：低风 速性能好，抗风能力
高
叶片制造工艺：真空 灌注成型
叶片测试结果：风能 转换效率高，运行稳
定可靠
案例二：新型风力机叶片设计研究
设计目标：提高风力机叶片的效率和稳定性 设计方法：采用CFD仿真技术进行叶片优化设计 设计结果：叶片效率提高10%，稳定性提高20% 应用前景：广泛应用于风力发电领域，提高发电效率和稳定性
风力发电机：将风能转化为 电能的核心设备
输电线路：将风力发电机产 生的电能输送到电网中
变电站：将风力发电机产生 的电能转换为适合电网的电
压等级
储能设备：储存风力发电机 产生的电能，保证电力系统
的稳定运行
风力发电的优势与局限性
优势：清洁能源，无污染，可再生，可持续 优势：成本低，维护费用低，运行稳定 局限性：受自然条件限制，如风速、风向等 局限性：占地面积大，对环境有一定影响
降低成本和促进大规模应用
降低材料成本：采 用新型材料，如碳 纤维、玻璃纤维等， 降低叶片制造成本
提高生产效率：采 用自动化生产线， 提高叶片生产效率， 降低生产成本
优化设计：通过优 化叶片设计，提高 叶片性能，降低制 造成本
促进大规模应用： 通过降低成本，提 高风力发电的经济 性，促进风力发电 的大规模应用

风力机课程设计

风力机课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握风力发电的基本原理，理解风力机的工作机制；2. 使学生了解风力机的结构组成，掌握各部件的功能和相互关系；3. 引导学生了解风力发电在我国能源领域的重要地位和发展前景。

技能目标：1. 培养学生运用科学方法分析和解决风力发电相关问题的能力；2. 提高学生设计简单风力机模型的能力，能进行基本的模型搭建和调试；3. 培养学生团队合作精神，提高沟通与协作能力。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对新能源技术的兴趣和热情，增强环保意识；2. 引导学生关注我国能源事业的发展，增强国家认同感和自豪感；3. 培养学生勇于探索、积极创新的精神，树立正确的科学态度。

分析课程性质、学生特点和教学要求：本课程为初中物理学科风力发电相关知识的教学，结合学生好奇心强、动手能力逐渐增强的特点，课程设计注重实践性与探究性。

教学要求从理论到实践，逐步引导学生掌握风力发电知识，培养学生科学思维和创新能力。

课程目标分解为具体学习成果：1. 知识方面：学生能复述风力发电原理，解释风力机各部件作用，了解我国风力发电发展现状；2. 技能方面：学生能设计并搭建简单风力机模型，进行基本调试，解决实际问题；3. 情感态度价值观方面：学生表现出对新能源技术的兴趣，积极参与团队合作，关注我国能源事业发展。

二、教学内容根据课程目标，本章节教学内容主要包括以下几部分：1. 风力发电原理及风力机工作原理：- 介绍风的能量及风力发电的基本原理；- 阐述风力机的叶片设计、空气动力学原理；- 分析风力机转动产生电能的过程。

2. 风力机的结构及各部件功能：- 详解风力机的塔架、叶片、发电机、控制系统等主要部件；- 探讨各部件在风力机工作过程中的作用和相互关系。

3. 风力发电在我国的应用及发展前景：- 介绍我国风力发电产业的发展现状和规划；- 分析风力发电在新能源领域的地位和作用。

教学大纲安排如下：第一课时：风力发电原理及风力机工作原理；第二课时：风力机的结构及各部件功能；第三课时：风力发电在我国的应用及发展前景。

课程设计风机叶片

课程设计风机叶片一、教学目标本课程旨在让学生了解风机叶片的基本概念、原理和设计方法，掌握风机叶片的主要结构和参数，培养学生对风机叶片的分析和设计能力。

1.了解风机叶片的基本概念和原理。

2.掌握风机叶片的主要结构和参数。

3.掌握风机叶片的的设计方法和流程。

4.能够运用风机叶片的设计原理进行简单的风机叶片设计。

5.能够对风机叶片的结构进行分析和优化。

6.能够对风机叶片的性能进行评估和改善。

情感态度价值观目标：1.培养学生对风机叶片的兴趣和热情，提高学生对风机叶片研究的认识和重视。

2.培养学生对科学研究的严谨态度和团队合作的意识。

3.培养学生对环境保护的责任感和使命感。

二、教学内容本课程的教学内容主要包括风机叶片的基本概念、原理和设计方法，风机叶片的主要结构和参数，以及风机叶片的分析和设计实践。

1.风机叶片的基本概念和原理：介绍风机叶片的定义、功能和分类，讲解风机叶片的空气动力学原理和工作原理。

2.风机叶片的主要结构和参数：介绍风机叶片的主要结构组成部分，讲解各种结构对风机叶片性能的影响，以及风机叶片的参数计算和选择方法。

3.风机叶片的 design方法和流程：讲解风机叶片的设计方法和流程，包括设计原则、设计步骤和设计技巧。

4.风机叶片的分析和设计实践：通过案例分析和实践操作，让学生掌握风机叶片的分析和设计方法，提高学生对风机叶片的实际应用能力。

三、教学方法为了激发学生的学习兴趣和主动性，本课程将采用多种教学方法，包括讲授法、讨论法、案例分析法和实验法等。

1.讲授法：通过教师的讲解，让学生掌握风机叶片的基本概念、原理和设计方法。

2.讨论法：通过小组讨论，让学生深入了解风机叶片的结构和参数，提高学生的思考和分析能力。

3.案例分析法：通过分析实际案例，让学生了解风机叶片的应用和设计实践，提高学生的实际操作能力。

4.实验法：通过实验操作，让学生亲身参与风机叶片的制作和测试过程，提高学生的实践能力和动手能力。

第五章 风力机叶片设计


如此，求出迎角后，即可根据翼型空气动力特性曲线得到叶素的升力
系数Cl 和阻力系数Cd 。
《风力机空气动力学》
3
§5-2：基础理论
合成气流速度V0引起的作用在长度为dr 叶素上的空气动力dFa可以分 解为法向力dFn和切向力dFt，则
dFn

1 2
cV02
C
n
dr

dFt

1 2

cV02 C t
测试结果如下图所示。 测试数据的处理
低频振动（轴向窜动、圆盘效应） 1阶振动 2阶振动 3阶振动
振动模态
1阶反对称
1阶对称
2阶反对称
2阶对称
轴向窜动 圆盘效应
0.587 0.96a Cn
1 a2
4F sin 2
代替
a Cn 1 a 4F sin 2
葛劳渥特（Glarert）修正方法(Glauert H. 1935)
当a>0.2时，第⑥步中由
a

1 2
2

k1
2ac

2 k1 2ac 2 4 kac2 1
பைடு நூலகம்dr

其中c：叶素剖面弦长
Cn、Ct ：法向力系数和切向力系数
则
Cn Ct

Cl Cl
cos sin

Cd Cd
sin cos


阻力使切向力，即力矩 减小，而使推力增加
这时，作用在风轮平面dr圆环上的轴向力（推力）可表示为
dT

1 2
BcV02 C n dr
其中B：叶片数
8
§5-2：基础理论
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阵列系统；⑥风轮结构形式多样化。
1.4 风力机的基本原理
太阳对大气层的不均匀照射和地球表面吸热能力的不同，在大气层中引起冷 热空气的强烈对流而形成风。 风的动能与风速的 3 次方成正比。用 v 表示空气 速度，用ρ表示质量密度，则单位时间内流过风轮扫掠面积 A 的空气质量(m)为
ρAv，于是空气动能便是
V1——距离风力机一定距离的上游风速； V——通过风轮时的实际风速； V2——离风轮远处的下游风速。 风力贝茨理论计算模型： 风作用在风轮上的力可由 Euler 理论(欧拉定理) 风轮所接受的功率为
经过风轮叶片的风的动能转化
由2和3式得到 因此风作用在风轮叶片上的力F和风轮输出的功率P分别为
风速 V1 是给定的，P 的大小取决于 V2，对 N 微分求最大值：
第一章 综述
1.1 风力机简介
风力机，将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一 种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。
许多世纪以来，它同水力机械一样，作为动力源替代人力、畜力，对生产力 的发展发挥过重要作用。近代机电动力的广泛应用以及 20 世纪 50 年代中东油田 的发现，使风力机的发展缓慢下来。70 年代初期，由于“石油危机”，出现了能 源紧张的问题，人们认识到常规矿物能源供应的不稳定性和有限性，于是寻求清 洁的可再生能源遂成为现代世界的一个重要课题。风能作为可再生的、无污染的
风轮半径为 r 处环素上的推力为：
转距为： 式中 B 一为叶片数。
干扰系数，又称为诱导系数，共有两个：一个是轴向干扰系数 a，另一个是 切向干扰系数 b。它们的物理意义就是气流通过风轮时，风轮对气流速度的影响。 换言之，气流在通过风轮时，气流的轴向速度与切向速度都要发生变化。而这个 变化就是以 a、b 为系数时对气流速度所打的折扣。
但遗憾的是，作为世界上的风能大国，我国尚不具备独立开发风力机尤其是 大型风力机的能力，迄今为止国内已投入运行的风力机绝大部分是进口风力机。 设计水平是主要制约因素，与此相关的基础研究、实验研究和新技术应用等方面 与国外存在着较大的差距，有些领域国内甚至是空白。尤其是目前主流的大型风 力机，我国基本上是依靠从国外引进生产技术来仿制。这不但受到成本、运输、 售前售后等方面的制约，还要消耗大量的资金，而且将使我国对风力机组的研制 水平日益落后于国际先进水平，从根本上来说不利于我国风电产业的发展。更何 况从国外引进的风机由于在设计时针对国外的风况和有一些特殊的环保要求，并 不能和国内的情况非常吻合，不能很好地达到预期的性能。因此，必须以提高我 国风力机的设计和研究水平为目标来实现“国产化"。
在第二次世界大战前后，由于能源需求量大，欧洲一些国家和美国相继建造 了一批大型风力发电机。1941 年，美国建造了一台双叶片、风轮直径达 53.3 米 的风力发电机，当风速为 13.4 米/秒时输出功率达 1250 千瓦。
英国在 50 年代建造了三台功率为 100 千瓦的风力发电机。其中一台结构颇 为独特，它由一个 26 米高的空心塔和一个直径 24.4 米的翼尖开孔的风轮组成。 风轮转动时造成的压力差迫使空气从塔底部的通气孔进入塔内，穿过塔中的空气 涡轮再从翼尖通气孔溢出。法国在 50 年代末到 60 年代中期相继建造了三台功率 分别为 1000 千瓦和 800 千瓦的大型风力发电机。
1.7 本课题的背景目的及主要工作
我国可开发利用的风能资源为 2．53 亿 kW，新疆、内蒙至东北和东南沿海两 大主风带有有效风力时间百分率在 70％以上。可以说，我国开发风能具有良好 的自然环境和资源条件。近几年来，随着我国电网覆盖程度的提高，在各级政府、 电力部门和国外政府及金融组织的援助下，我国在新疆、内蒙、广东、福建、辽 宁等地区建立了 20 座风力发电场，总装机容量达 302MW，对缓解当地电力供应 矛盾，提高供电质量起到了很好的作用。风力发电场的建设，加速了我国能源结 构改革的进程，风能己成为真正的补充能源和发挥规模效益的生力军。
现代的风力机具有增强的抗风暴能力，风轮叶片广泛采用轻质材料，运用近 代航空气体动力学成就，使风能利用系数提高到 0.45 左右，用微处理机控制， 使风力机保持在最佳运行状态，发展了风力机阵列系统，风轮结构形式多样化。
法国人在 20 年代发明的垂直轴风轮在淹没了半个多世纪之后，已成为最有 希望的风力机型之一。这种结构有多种形式，它具有运转速度高、效率高和传动 机构简单等优点，但需用辅助装置起动。人们还提出了许多新的设想，如旋涡集 能式风力机，据估计这种系统的单机功率将 100～1000 倍于常规风力机。
风力机用于发电的设想始于 1890 年丹麦的一项风力发电计划。到 1918 年， 丹麦已拥有风力发电机 120 台，额定功率为 5～25 千瓦不等。第一次世界大战后， 制造飞机螺旋桨的先进技术和近代气体动力学理论为风轮叶片的设计创造了条 件，于是出现了现代高速风力机。1931 年，苏联采用螺旋桨式叶片建造了一台 大型风力发电机，风速为 13.5 米/秒时,输出功率达 100 千瓦,风能利用系数提高到 0.32。
中国利用风车的历史至少不晚于 13 世纪中叶，曾建造了各种形式的简易风 车碾米磨面、提水灌溉和制盐。直到 20 世纪 50 年代仍可见到“走马灯”式风车。
1.3 风力机的特点
新一代风力机的特点是：①增强抗风暴能力；②风轮叶片广泛采用轻质材料, 如玻璃纤维复合材料等；③运用近代航空气体动力学成就使风能利用系数提高到 0.45 左右；④用微处理机控制，使风力机保持在最佳运行状态；⑤发展风力机
2.1.3 动量理论
在风轮扫掠面内半径 r 处取一个圆环微元体，如图所示。应用动量定理，作 用于风轮（r,r+dr)环形域上：
本课程的主要工作： 1.阅读理解“风能转换原理与技术中”叶片设计的相关原理及设计知识，主要是 第五章和第六章相关知识。 2.编制叶素轴向、周向速度诱导因子、最佳弦长及扭角的计算的界面程序； 3.根据程序计算并绘制风力机叶片弦长随叶片展向长度的变化曲线； 4.根据程序计算并绘制风力机叶片扭角随叶片展向长度的变化曲线； 5.将所设计的叶片的三维模型的进行实体建模。
我国风力发电起步较晚，但发展较快。自 80 年末引进大型风力发电机以来， 经过十多年的不断引进、消化、吸收，积累了一定的经验。我国并网型风力发电 技术在 80 年代中期开始进行试验、示范，经过二十多年的努力，为今后进行国 产化风力发电机组的规模化生产打下了一定的基础，同时也为推动国家风电产业 化进程做出了努力。
自然能源又重新引起了人们重视。
1.2 风力机简史
风车最早出现在波斯，起初是立轴翼板式风车，后又发明了水平轴风车。风 车传入欧洲后，15 世纪在欧洲已得到广泛应用。荷兰、比利时等国为排水建造 了功率达 66 千瓦（90 马力）以上的风车。18 世纪末期以来，随着工业技术的发 展，风车的结构和性能都有了很大提高，已能采用手控和机械式自控机构改变叶 片桨距来调节风轮转速。
2.2 叶片设计的空气动力学理论 2.2.1 贝茨理论
世界上第一个关于风力发电机叶轮叶片接受风能的完整理论是 1919 年由德 国的贝茨(Bee)建立的。贝茨理论的建立，是假定叶轮是“理想”的：全部接受 风能(没有轮毂)，叶片无限多；对空气流没有阻力；空气流是连续的、不可压缩 的；叶片扫掠面上的气流是均匀的；气流速度的方向不论在叶片前或叶片后都是 垂直叶片扫掠面的(或称平行叶轮轴线的)，这时的叶轮称“理想叶轮”。其计算 简图如图。
课程设计报告
( 2013 -- 2014 年度 第一学期 )
名
称
学
院
专
业
设计周数
课程设计 能源与动力工程学院
新能源科学与工程 18—20（共三周）
2014 年 1 月 8 日
基于 NACA4412 翼型风力机叶片的设计 与三维建模
摘要
风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大， 全球的风能约为 2.74×10^9MW，其中可利用的风能为 2×10^7MW，比地球上可开 发利用的水能总量还要大 10 倍。风很早就被人们利用--主要是通过风车来抽水、 磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电。
1.6 风力机存在的问题
世界上已有数万台风力机在运行，作为辅助能源正在发挥作用。但风力机仍 存在若干不足之处：①能量输出不稳定，特别是大型风力机的利用率低，作为独
立能源的条件还不具备；②安全可靠性尚无充分保障；③成本在短期内尚不足以 与矿物燃料相竞争。但是，随着人类对能源需求量的日益增多和科学技术的发展， 上述问题终会得到解决。
把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。 风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提 升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微 风的程度），便可以开始发电。 风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发 电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。 本课题研究水平轴风力发电机的叶片设计、实体建模。主要任务如下： 1.编制叶素轴向、周向速度诱导因子、最佳弦长及扭角的计算的界面程序； 2.根据程序计算并绘制风力机叶片弦长随叶片展向长度的变化曲线； 3.根据程序计算并绘制风力机叶片扭角随叶片展向长度的变化曲线； 4.将所设计的叶片的三维模型的进行实体建模。 关键词：风力发电，风力机叶片，三维建模
或
，式中 D 为风轮直径。
1.5 风力机的一般说来，凡在气流中产生不对称力的 物理构形都能成为风能接收装置，它以旋转、平移或摆动运动而发出机械功。各 类风能接收装置的取舍取决于使用寿命和成本的综合效益。风力机大都按风能接 收装置的结构形式和空间布置来分类，一般分为水平轴结构和垂直轴结构两类。 以风轮作为风能接收装置的常规风力机，按风轮转轴相对于气流方向的布置分为 水平轴风轮式（转轴平行于气流方向）、侧风水平轴风轮式（转轴平行于地面、 垂直于气流方向）和垂直轴风轮式（转轴同时垂直于地面和气流方向）。广义风 力机还包括那些利用风力产生平移运动的装置，如风帆船和中国古代的加帆手推 车等。无论何种类型的风力机，都是由风能接收装置、控制机构、传动和支承部 件等组成的。近代风力机还包括发电、蓄能等配套系统。