风力机叶片课程设计(空气动力学)设计报告

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。

风力机叶轮设计与叶片空气动力学仿真分析一、概述作用在叶轮上的空气动力是风力机最主要的动力来源，也是造成各个零部件的主要的载荷来源。

要计算风力发电机组的载荷就必须先计算出空气作用在叶片上的作用力。

除了气动载荷，风力机叶片在风机工作中受到的作用力主要还受到惯性力，特别应该考虑重力、离心力和陀螺力等。

风力机的叶片设计分气动设计和结构设计两大部分，气动性能计算为气动设计结果提供评价和反馈，并为叶片的结构设计提供气动载荷等原始数据。

气动性能计算的准确性，直接影响叶片的气动性能和结构安全，从而影响风力机的运行效率和运行安全。

二、风力机叶片几何参数1．风力机叶片翼型几何参数和气流角翼型是组成风力机叶片的基本元素，因此，翼型的气动特性对风力机的性能起着决定性的作用。

以一个静止的翼型为例，其受到气流作用，风速为v，方向与翼型截面平行。

图1 翼型的几何参数和气流角翼型的尖尾(点B)称为后缘。

圆头上的A点称为前缘，距离后缘最远。

l——翼型的弦长，是两端点A、B连线方向上翼型的最大长度；C——翼型最大厚度，即弦长法线方向之翼型最大厚度；C——翼型相对厚度，CCl=，通常为10%~15%；翼型中线—从前缘点开始，与上、下表面相切诸圆之圆心的连线，一般为曲线；f——翼型中线最大弯度；f——翼型相对弯度，ffl =；α——攻角，是来流速度方向与弦线间的夹角；φo——零升力角，它是弦线与零升力线间的夹角；φ——升力角，来流速度方向与零升力线间的夹角。

α=φ+φ0 （2‐1）此处φ0是负值，α和φ是正值。

2．.NACA四位数字翼型族NACA四位数字翼型分为对称翼型和有弯度翼型两种。

对称翼型即为基本厚度翼型，有弯度翼型由中弧线与基本厚度翼型迭加而成。

中弧线为两段抛物线，在中弧线最高点二者水平相切。

四位数字翼型的表达形式为NACAXXXX第一个数字表示最大相对弯度的百倍数值;第二个数字表示最大弯度相对位置的十倍数值;最后两个数字表示最大相对厚度t的百倍数值。

课程：空气动力学2KW风力发电机组低风速叶片设计与分析姓名：余辉学号：201580812008指导教师：傅彩明2016年01月05日2KW风力发电机组低风速叶片设计与分析一.课题研究的背景和意义1941年，美国把蒙特研制的第一台风力发电机开启了风力发电；此后，大型风力涡轮发电机促进了风力发电；如今,世界许多国家都安装了超大型风力发电机进行风力发电，促进风力发电长远发展。

近年来全球的风力发电发展很快，装机容量的年平均增长率超过了30%风能是一种技术比较成熟、很有开发利用前景的可再生能源之一。

开发利用风能对世界各国科技工作者具有极强的魅力，从而唤起了世界众多学者致力于风能利用方面的研究。

本文将对风力发电基本原理和具体2KW风机叶片设计进行论述。

目前，全球都面临着能源枯竭、环境恶化、气温升高等问题，日益增长的能源需求、能源安全问题受到世界各国广泛关注。

风能具有可再生、资源广、安全、清洁、无燃料风险等优势，因此，世界各国都在加快风力发电技术的研究，以缓解越来越重的能源和环境压力。

中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，提供电力的能源消费是以煤炭为主，燃煤发电量占总发电量的80%但是，能为人类所用的石化资源是有限的，据第二届环太平洋煤炭会议资料介绍，若不趁早调整以石化能源为主体的能源结构，终将导致有限的石化能源趋于枯竭，人类生态环境质量下降的恶性循环，不利于经济、能源、环境的协调发展。

二.风力发电机的设计理论风力发电是通过捕风装置的风轮将风能装换成机械能，再将机械能转换成电能的过程，因此构成风轮的翼型的结构性能直接影响着分风能的转换效率。

本章介绍风力机翼型的几何结构、空气动力学基础概念及基础理论，为下文的叶片分析设计奠基础。

2.1风力机的基本概念（1）风力机的基本概念和参数风轮叶片的几何形状不同，则空气动力特性也不同。

为了设计风机，必须对风机的有关的概念和术语加以理解，例如，风轮、叶片、叶片旋转平面、风轮直径、叶尖速比等，而翼型外形由翼的前后缘、弦、中弧线、翼的上下表面、叶片安装角、攻角、来流角、最大厚度及最大相对厚度、弯度与弯度分布等参数决定。

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。

.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。

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。

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：风力机叶片气动设计设计人：宁强班级：风能1201 组号： 3 指导教师：姚桂焕设计时间： 2周成绩：日期：2015.6.29-2015.7.124根据在叶根处选择相对较厚的翼型以承受叶片运行时的应力，并且能实现向叶根处的圆形断面光滑过渡；叶尖选择相对较薄的翼型以满足叶片的气动性能要求。

将叶片分成16个剖面；从叶片展向 20%到95%，间隔5%来取。

在叶片展向20%、25%、30%和35% 处选择剖面，并选择翼型为NACA 4421NACA4421-NACA 4421 airfoil在叶片展向40%、45%、50%和55%处选择剖面，并选择翼型为NACA4418;NACA 4418- NACA 4418 airfoil在叶片展向60%、65%、70%和75%处选择剖面，并选择翼型为FX60-160FX 60-160 AIRFOIL-Wortmann FX 60-160 airfoil在叶片展向80%、85%、90%和95%处选择剖面，并选择翼型为NACA 63-412 NACA 63-412 AIRFOIL-NANCA 63(1)-412 airfoil5.计算各剖面处的叶尖速比：λϖλi VR i i == 计算结果见表格16.在AirfoilTools 网站，查看各个翼型在最大升阻比时对应的升力系数和阻力系数:由左侧的图表查得NACA4421在最佳升阻比时，攻角=0α 5.75(103.1)时，升力系数=l C 1.0543，阻力系数=d C 0.01023 ，最大升力系数=max l C 1.5771;由右侧的图表查得 在最佳升阻比时，攻角=0α 5.75(115.8)，升力系数=l C 1.0909 ，阻力系数=d C 0.00929 ,最大升力系数=max l C 1.6028由左侧的图查得FX60-160在最佳升阻比时，攻角=0α 4.5(116.7)时，升力系数=l C 0.9322,阻力系数=d C 0.00799 ，最大升力系数=max l C 1.446;由右侧的图表查得 在最佳升阻比时，攻角=0α 4.25，升力系数=l C 0.8168 ，阻力系数=d C 0.00706,最大升力系数=max l C 1.41797.计算四个剖面的弦长各翼型断面弦长计算式为：,max BC N R C l ii i =式中94)(/916200+=R R R R N i ii λλπ为不同半径i R 对应的形状参数，max l C 为最大升力系数。

风力发电机组叶片空气动力学分析与优化叶片是风力发电机组中最关键的组成部分，它们直接负责将风能转化为机械能。

因此，对叶片的空气动力学性能进行分析和优化对提高风力发电机组的效率至关重要。

在本文中，我们将深入探讨风力发电机组叶片的空气动力学分析与优化方法，以实现更高效的能源转换。

首先，我们需要了解叶片在风的作用下所经历的关键动力学效应。

在风力发电机组运行时，叶片受到来自风的气流的冲击和压力差力的影响。

为了更好地理解这些效应，我们可以使用数值模拟工具，如计算流体力学（CFD）方法，来模拟和分析叶片在不同风速下的空气流动情况。

借助CFD方法，我们可以获得叶片受到的主要力，如升力、阻力和扭矩。

了解这些力的大小和方向，对于设计出具有良好空气动力学性能的叶片至关重要。

通过对这些力的详细分析，我们可以确定叶片的最佳设计参数，如弯曲程度、扭矩分布和厚度分布等。

此外，我们还可以使用CFD方法来研究叶片表面的压力分布。

通过分析叶片表面上的压力分布情况，我们可以了解到是否存在压力分布不均匀的问题，并找出可能导致这种情况发生的原因。

进一步优化叶片的表面压力分布，可以减小阻力和提高转矩，从而提高风力发电机组的整体效率。

在优化叶片空气动力学性能时，考虑到不同的工作条件和环境因素也非常重要。

风的速度、密度和方向等变量，以及叶片的材料和结构对叶片的性能影响巨大。

因此，在叶片设计过程中，我们必须综合考虑这些因素，并找出最佳的设计方案。

为了优化风力发电机组叶片的空气动力学性能，我们可以采用多个方法。

首先，通过改变叶片的形状和参数，如弯曲度、扭矩分布和厚度分布等，可以改变叶片所受到的力的大小和方向。

其次，调整叶片的表面光滑度和涂层材料，可以减小阻力并改善叶片的空气动力学性能。

此外，合理设计叶片的结构，如材料的选择和叶片的连接方式，也可以提高叶片的强度和刚度，进而提高风力发电机组的整体性能。

除了以上方法，我们还可以使用基于遗传算法和人工神经网络的优化算法，来寻找叶片的最佳设计方案。

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

风力机叶片几何设计与空气动力学仿真的开题报告一、研究背景风力机是一种可以将风能转化为电能的装置，而叶片则是风力机的核心部件，其几何形状和气动特性对风力机的性能有着至关重要的影响。

目前国内外关于风力机叶片几何设计与空气动力学仿真的研究较为深入，但仍有许多问题有待解决。

二、研究内容本文将以风力机叶片的几何设计和空气动力学仿真为主要研究内容，具体包括以下方面：1. 风力机叶片几何设计的原理和方法；2. 空气动力学基础理论和风力机叶片的空气动力学特性研究；3. 基于计算流体力学（CFD）的风力机叶片空气动力学仿真；4. 风力机叶片的结构优化设计。

其中，空气动力学基础理论包括雷诺数、卡门涡街等概念；风力机叶片的空气动力学特性研究包括风力机叶片的叶型选择、叶片数量和安装角度等因素对风力机性能的影响；基于CFD的仿真研究将使用流场分析软件对风力机叶片进行仿真。

三、研究意义本文的研究成果将有助于提高风力机叶片的性能和效率，提高风能转化效率，增加可再生能源利用率，减少对传统能源的依赖，对环保和节能具有重要作用。

此外，本文研究方法和分析结果对于风力机叶片及其他类似领域的研究也具有借鉴意义。

四、研究方法本文将采用文献研究、理论分析、数值计算等方法，分析风力机叶片的几何设计原理，探究风力机叶片的空气动力学特性，进行基于CFD的仿真研究，并针对仿真结果进行风力机叶片的结构优化设计。

五、预期结果预计通过本文的研究，可以得到以下结果：1. 风力机叶片几何设计原理和方法；2. 风力机叶片的空气动力学特性研究成果；3. 基于CFD的仿真模拟结果；4. 风力机叶片的结构优化设计。

六、结论本文的研究成果将对风力机叶片的设计和优化提供理论依据和技术支持，为风能利用技术的发展做出贡献。

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。

风力发电机叶片设计风力发电机叶片设计是指设计和制造适合风力发电机使用的叶片，以最大程度地从风能中获取能量，并将其转换为电能。

叶片设计的主要目标是提高发电机的效率、降低维护成本和延长叶片使用寿命。

下面将从叶片设计原理、材料选择、几何形状和结构设计等方面详细介绍风力发电机叶片设计。

叶片设计的原理是基于空气动力学原理，即通过叶片与风之间的相互作用来获得动力。

在设备运行过程中，叶片受到来自风的力和阻力的作用。

为了提高风能的捕获效率，叶片需要具备良好的气动性能，使风能充分地传递到发电机上。

材料选择是叶片设计的重要环节。

叶片需要具备良好的强度和刚度来承受风压力和旋转力。

常用的材料包括玻璃纤维增强塑料（GRP）、碳纤维增强塑料（CFRP）和木材等。

其中，GRP是最常用的材料之一，因为它相对便宜且易于加工。

CFRP 具有较高的强度和刚度，但成本较高。

木材具有较好的弹性和耐久性，但需要进行防腐处理。

叶片的几何形状是影响风能捕获效率和运行稳定性的重要因素。

几何形状包括叶片长度、弦长、扭转角和平均弯曲半径等。

一般来说，叶片长度越长，捕获风能的面积越大，但受到的风力也越大。

叶片的弦长和扭转角决定了叶片的气动特性，对叶片的刚性和强度要求也有一定影响。

平均弯曲半径则影响了叶片的载荷分布和结构强度。

叶片的几何形状需要通过数值模拟和实验验证来确定最佳设计。

叶片的结构设计是确保叶片可以顺利运行并承受外部环境力量的关键。

结构设计包括叶片的内部结构、连接方式和防护措施等。

叶片常常采用空心结构，以降低自重和提高强度。

连接方式通常采用螺栓连接或胶粘剂连接。

叶片的内部结构可以通过加入加筋肋、填充泡沫等方式来增加刚度。

为了防止叶片受到外部环境的侵蚀，叶片表面通常采用防腐涂层或防风腐蚀材料。

除了以上设计原则，叶片的制造工艺和质量控制同样重要。

制造工艺包括叶片模具设计、复合材料制备、成型和固化等。

质量控制需要对叶片的尺寸、质量和结构进行严格控制，以确保叶片的一致性和可靠性。

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：风力机叶片气动设计设计人：宁强班级：风能1201组号： 3指导教师：姚桂焕设计时间：2周成绩：日期：2015.6.29-2015.7.12剖面；从叶片展向 20%到95%，间隔5%来取。

在叶片展向20%、25%、30%和35% 处选择剖面，并选择翼型为NACA 4421 NACA4421-NACA 4421 airfoil在叶片展向40%、45%、50%和55%处选择剖面，并选择翼型为NACA4418; NACA 4418- NACA 4418 airfoil在叶片展向60%、65%、70%和75%处选择剖面，并选择翼型为FX60-160FX 60-160 AIRFOIL-Wortmann FX 60-160 airfoil在叶片展向80%、85%、90%和95%处选择剖面，并选择翼型为NACA 63-412 NACA 63-412 AIRFOIL-NANCA 63(1)-412 airfoil5.计算各剖面处的叶尖速比：λϖλi VRi i ==计算结果见表格16.在AirfoilTools 网站，查看各个翼型在最大升阻比时对应的升力系数和阻力系数:由左侧的图表查得NACA4421在最佳升阻比时，攻角=0α 5.75(103.1)时，升力系数=l C 1.0543，阻力系数=d C 0.01023 ，最大升力系数=max l C 1.5771;由右侧的图表查得 在最佳升阻比时，攻角=0α 5.75(115.8)，升力系数=l C 1.0909 ，阻力系数=d C 0.00929 ,最大升力系数=max l C 1.6028由左侧的图查得FX60-160在最佳升阻比时，攻角=0α 4.5(116.7)时，升力系数=l C 0.9322,阻力系数=d C 0.00799 ，最大升力系数=max l C 1.446;由右侧的图表查得 在最佳升阻比时，攻角=0α 4.25，升力系数=l C 0.8168 ，阻力系数=d C 0.00706,最大升力系数=max l C 1.41797.计算四个剖面的弦长各翼型断面弦长计算式为：,max BC N R C l ii i =式中94)(/916200+=R R R R N i ii λλπ为不同半径i R 对应的形状参数，max l C 为最大升力系数。

《风力机空气动力学》课程设计指导书一、基础理论 动量理论：描述作用在风轮上的力与来流速度之间的关系。

根据叶素理论：将风轮叶片沿展向分成许多微段，即叶素，并假设在每个叶素上作用的气流相互之间没有干扰，作用在叶片上的力可分解为升力和阻力。

叶素-动量理论：假设各个叶素单元作用相互独立，各个圆环之间没有径向干扰，轴向诱导因子a 并不沿着叶轮径向改变。

图1-1 风力机受力示意图 参考公式：轴向速度：0)1(v a v a -= 切向速度：r a v rot ω)'1(+=图1-2 叶素速度示意图叶素入流流速：2222)()'1()1(r a v a v rel ω++-= 入流角：rel rel v a r v a v )1(cos ;)1(sin ,0+=-=ωφφ 攻角：βφα-=法向力系数：φφsin cos d l n C C C += 切向力系数：φφcos sin d l t C C C -= 诱导系数迭代方程：)sin 4(sin 41222t r n r C C a aφσφσ-=- φφσcos sin 4'1t r C a a=+ φλμσ2sin 41't r C a a =- 风轮实度：RNcr Nc r πμπσ22==叶素单位圆环扇面转矩：r r a a wr v M δπρδ2,0)1()(4-= 功率系数表达式：23021Rv PC p πρ=翼型与叶尖速比的关系：222))'1(()1('4a a a C l r ++-=λμμλλσ风轮直径设计：38v C P D p uπρ=叶尖速比：02/v D ωλ=二、叶片设计流程(一) 按照给定叶尖速比设计叶片参数(二) 改变叶尖速比，比较设计改变λ，绘制C p 和λ的对应关系曲线。

符号表a ：轴向诱导系数 a ’：切向诱导系数 c ：弦长d C ：阻力系数： l C ：升法向力系数：C：法向力系数：nC：切向力系数：tC p：功率系数M：转矩N：叶片数P：风轮功率P u：设计功率r：叶素半径R：风轮半径v0：来流风速v a：轴向风速v rel：入流总速度v rot：切向速度α：冲角β：当地叶片弦线到相对于风轮平面的倾角（例如，叶片钮角加上桨距角）φ：入流角λ：叶尖速比μ：无因此径向位置，μ=r/Rσr：风轮实度ω：旋转角速度参考文献[1] 风力机空气动力学. [丹麦]Martin O.L.Hansen 著. 肖劲松译. 中国电力出版社. 2009.6[2] 风力机空气动力学. 吴双群赵丹平主编. 北京大学出版社. 2011.10[3] 风能技术. [美]Tony Burton 等著. 武鑫等译. 科学出版社. 2007.9[4] 小型风力发电机设计与制作. [日]久保大次郎著. 姚兴佳王益全译. 科学出版社. 2012.7。

风力机课程设计结果一、教学目标本课程的学习目标包括知识目标、技能目标和情感态度价值观目标。

知识目标要求学生掌握风力机的基本原理、结构和工作特点；技能目标要求学生能够运用风力机的原理和知识解决实际问题；情感态度价值观目标要求学生树立环保意识，认识风力机在新能源开发和环境保护方面的重要性。

通过对风力机的了解和学习，使学生能够掌握风力机的基本原理和结构，提高他们的科学素养；培养学生运用风力机知识解决实际问题的能力，激发他们的创新精神；引导学生关注新能源开发和环境保护，培养他们的社会责任感和使命感。

二、教学内容根据课程目标，本课程的教学内容主要包括风力机的基本原理、结构和工作特点。

教学大纲如下：1.风力机概述：介绍风力机的定义、分类和应用领域。

2.风力机的基本原理：讲解风力机的工作原理，包括气流动力学、叶轮设计和转换效率等方面。

3.风力机的结构：介绍风力机的各个组成部分，如叶片、塔架、传动系统和发电机等。

4.风力机的工作特点：分析风力机在不同风速、风向和环境条件下的工作性能。

5.风力机实例分析：以实际风力机为例，讲解其设计和运行特点。

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，如讲授法、讨论法、案例分析法和实验法等。

1.讲授法：通过教师的讲解，使学生掌握风力机的基本原理和知识。

2.讨论法：学生分组讨论，培养他们运用风力机知识解决实际问题的能力。

3.案例分析法：分析实际风力机案例，使学生了解风力机在不同环境下的应用。

4.实验法：安排风力机模型实验，让学生亲身体验风力机的工作原理。

四、教学资源本课程的教学资源包括教材、参考书、多媒体资料和实验设备等。

1.教材：选用权威、实用的风力机教材，为学生提供系统、科学的学习资料。

2.参考书：推荐学生阅读相关领域的参考书籍，拓展他们的知识视野。

3.多媒体资料：制作课件、视频等多媒体资料，增强课堂教学的趣味性和生动性。

4.实验设备：准备风力机模型和相关实验器材，为学生提供实践操作的机会。

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。

风电叶片空气动力学
风电叶片的形状设计均出自于对以最低成本获取最高效能的考虑。基本上，设计必须满 足空气动力学要求，但经济性要求意味着叶片形状同样要保证成本架构的合理性。特别 需要提到的是，越接近根部，叶片弯曲程度越大，结构应力也达到最大，叶片实际厚度 比理想的空气动力学设计更厚。 叶片设计往往开始于一个“理想的猜测”，这个“猜测”将空气动力学与结构效率有机 地结合起来；同时，材料和制造工艺的选择对能否把叶片做“薄”（理想的空气动力学 设计）也有很大影响。例如，对比碳纤维预浸料和灌注的玻璃纤维，前者强度高刚性 好，优势十分明显。当在既定的动力学形状上施加更高载荷时，许多设计问题将会显 现出来，此时，设计者需要重新计算空气动力学性能，这些问题则可以帮助设计者优化 翼形。
风能
很显然，对风的了解是风电叶片设计的基础。风所蕴含的能源与风速成立方关系，即 双倍的风速会使风能增加八倍，这就是风场谨慎选址的原因：风速低于5米/秒 (10英 里/小时)的风场无法获得足够的有用的能量；相反地，将风机安装在大风较多的地方， 虽然风速很高时风机可以捕获较多风能，但其余时间效率很低，这也是对风机设备的浪 费。因此，理想的风场应该选在常年有风的地区，而且在这里风机既可以利用大部分低 速风发电，又可以经受最强风的考验。 由于地表特征、热蒸汽和天气变化，地表气流变幻莫测，因此，风不仅是每天在变化， 而是每时每刻都在变化；而且，越是远离地表，风力越强。所有这些都将引起加载在叶 片上的载荷发生波动，叶片设计及结构都需要经受无法预测的考验，这远比理想状态复 杂得多。 风机除了捕获风能外，对附近的气流会产生一定的影响：气流经过叶片进入背风带后运 动速率减小。因为叶尖形成的圆盘扫风区，风速甚至在靠近叶片时已经开始下降，也减 少了可利用的风能。部分风吹向圆盘扫风区时，围绕着缓慢移动的气流发生转向，最终 完全无法被风机获取。因此，不同的扫风圆盘直径均有最佳捕风量：捕风量过大会导致 风速减少过多，相应地，可利用的风能也会减少。理想的状态是经过风机后，风速下降 背风区风速的三分之二，这样才有可能捕获最大可达59%（理论值）的风能， 即所谓的 Betz极限。实际应用中，目前的设计仅能达到 40-50% 。