风力机叶片翼型NACA4418-4415-4412数据及曲线

2021年第2期复合材料科学与工程19基于模态频率的风力机叶片覆冰检测方法李飞宇，崔红梅*,苏宏杰，王念富，马志鹏(内蒙古农业大学机电工程学院，呼和浩特010018)摘要：目前，风力机叶片覆冰后通常使用加热系统除冰，其消耗的能源是发电机组1%〜4%的年发电量。

本文通过试验模态调校叶片有限元模型，用有限元模型的仿真模态得出不同位置的覆冰厚度和固有频率对应关系方程，用这些方程生成随机样本训练BP神经网络模型，建立以固有频率为输入，以覆冰厚度为输出的非线性关系，以实现覆冰状态的检测。

研究表明，通过叶片的力锤激励模态试验结果，调整叶片模型参数，优化后的叶片覆冰中空实体三维模型前三阶固有频率与试验值误差在2%以内。

通过BP神经网络建模和训练，模型检测覆冰厚度的结果与实际值相对误差率平均值为&83%，叶尖处误差最小，叶根处误差最大，相对误差率随着冰层厚度的增加而降低。

训练好的BP神经网络模型可以基本实现覆冰的位置和厚度信息检测，为加热系统精确加热位置和加热时间、降低能源消耗提供理论依据。

关键词：风力机叶片；覆冰检测；模态参数；固有频率；复合材料中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：2096-8000(2021)02-0019-06风能是一种清洁的绿色可再生能源，被世界各国公认为最具有开发利用前景的新能源之一。

2019年我国风力累计装机容量到达210GW,风电发电量可满足5.5%的用电需求［1］。

同世界风能利用好的国家一样，我国风电场大多位于寒冷、潮湿地区，风力机叶片会无法避免地产生覆冰的现象，影响风力机的正常工作，甚至发生叶片折断、风力机倒塌等事故［2］。

因此，开展叶片覆冰状态的精确检测研究对于风力机的稳定运行有重要意义。

目前,国内外学者对此做了大量研究,Skrimpas 等［3］通过对覆冰的风力机功率曲线和机舱振动情况分析，可以检测出风力机的整体覆冰情况。

Gantasala 等［4］研究了2MW风力机叶片覆冰条件下的模态特性,结果表明随着叶片覆冰厚度增加，振动模态中气动弹性阻尼因子逐渐减小。

风能转化原理与技术设计实验报告设计题目NACA4412翼型参数设计姓名孙岩雷学号 912108670128指导教师王学德提交日期 2014年 12月26日一、背景风能是太阳能转换的一种形式，是一种重要的自然资源，且据估计地球上可利用的风能比可开发利用的水能总量还要大10 倍以上。

随着社会的发展，能源危机愈来愈严重，而且燃烧化石能源所带来的环境危害也愈发不可忽视。

因此，作为新一代能源利用的典范，风力机的大规模应用也就理所应当了。

风轮是风力机最主要部件，其气动特性影响风能转换率，也决定了风力机的经济性。

水平轴风力机是现在最流行、最广泛的采用的风力机。

而风轮的翼型决定着风轮的气动参数。

随着航空科学的发展，世界各主要航空发达的国家建立了各种翼型系列，美国有NACA 系列，德国有DU系列，英国有RAE系列等。

这些翼型的资料包括几何特性和气动特性，可供气动设计人员选取合适的翼型。

而在现有的翼型资料中，NACA翼型系列的资料比较丰富，飞行器上采用这一系列的翼型也比较多。

本文就是在NACA4412翼型的基础上进行风力机设计的。

二、设计流程风轮设计主要确定如下关键参数有：风轮直径、叶片数、叶尖速比、叶片翼型、叶素弦长、叶素安装角等。

本文对翼型为NACA4412的风力机叶片进行外形设计，其给定的参数为：风力机的输出功率P=6.7kW，设计风速=7 m／s，风轮转速72rpm，风力机功率系数Cp ＝0.43，空气密度为1.225kg/m3，叶片数为3。

根据相关参数求得叶片的直径，然后通过读取翼型的相关数据确定最佳攻角，以及其所在位置处的最佳升力系数，最佳阻力系数和最佳升阻比，利用叶素理论。

动量理论和贝茨理计算叶片各个部位的相关参数(各个部分的周向诱导因子、轴向诱导因子、叶尖速比，入流角，桨距角和攻角)，并根据相关的结果作出叶片弦长和扭角与取样位置的曲线，进而得到整个叶片的设计方案。

已知最大设计输出功率Pu(W)和风力机前风速度确定情况下。

风力机叶片设计及翼型气动性能分析风力机叶片是风力发电机的核心部件之一，其设计和翼型选择对风力机的发电效率、噪音和寿命等都有着非常重要的影响。

本文将介绍风力机叶片的设计及翼型气动性能分析。

一、叶片设计原理风力机叶片的设计目的是将大气中的风能转换成旋转能，并将其通过转轴传递给发电机，从而产生电能。

因此，叶片的设计主要围绕以下几点展开：1. 创造足够的扭矩：风力机的转子需要达到一定的转速才能发电，而叶片的弯曲和扭矩对于旋转速度的影响至关重要。

设计中需要选择合适的曲线形状和长度来实现理想的扭矩和转速。

2. 保证叶片的强度和稳定性：因叶片在高速旋转状态下会受到巨大的惯性力和风力力矩的作用，因此其材料和结构要足够坚固和稳定，以避免可能的断裂等事故。

3. 提高叶片的气动效率：叶片的气动效率是指其转化风能的能力，通常可以通过优化翼型、减小阻力、降低风阻等方法来提高。

二、叶片设计步骤1. 选定叶片长度：叶片长度通常是根据风力机的规格和性能要求来确定的，也可以根据标准长度来选择。

2. 选择翼型：翼型是叶片的重要组成部分，其形状和性能决定了叶片的阻力和气动效率。

目前，常用的翼型有NACA0012、NACA4415等，根据实际需求来选择。

3. 确定叶片曲线：叶片的曲线是决定扭矩和转速的关键因素，可以通过实验或模拟方法得到合适的曲线形状。

4. 优化叶片的结构：结构设计主要涉及到叶片的强度和稳定性，通常需要进行材料选择、计算等工作以保证叶片的安全性和寿命。

5. 模拟叶片气动特性：叶片的气动特性可以通过流场模拟、试验等方式来获取，可以根据实际需求来对叶片进行调整以达到理想的效果。

三、翼型气动性能分析翼型气动性能是指翼型在气流中运动时产生的力和力矩，其中，升力和阻力是翼型气动力的主要组成部分。

通过分析翼型气动性能，可以选择最优化的翼型来设计叶片。

1. 升力和阻力翼型的升力和阻力是由翼型形状、气流速度、攻角等因素共同决定的。

实际上，翼型的气动性能曲线通常都是非线性的，其升力和阻力特性会随着攻角的变化而不断变化。

风力机叶片的设计及振动特性分析作者：刘姝来源：《品牌与标准化》2016年第02期【摘要】本篇论文针对的机型是1.0MW水平轴风力发电机，对叶片进行优化设计及振动特性分析，以气动设计理论作为基础，从风机的基本参数、叶尖速比、风轮直径以及翼型插值等方面确定叶片的基本参数。

本文根据叶素动量理论的相关知识，根据Wilson叶片设计方法确定风机叶片的几何外形，以MATLAB软件为计算工具，采用迭代算法计算叶片外形的各种参数，并修处理弦长、扭角等，得到优化结果。

通过对NACA4412翼型单元坐标进行旋转和成比例放大转换，获得具有良好空气动力学性能的风力机叶片的外形数据。

【关键词】风力机叶片振动特性叶素-动量理论迭代算法有限元分析【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2016.02.010风能是气流变动而生成的动能，没有任何污染的可再生能源。

根据多年记录，在小于0.25s的时间里，风速一定能够27m/s然变到37m/s。

阵风为风力机创造了改变的气动原因。

风力不仅强弱改变，风电轮轴可对风有调向运动，进一步导致陀螺力矩，它应用在叶片上是一种改变的惯性载荷。

还有，相对大型风力机，叶片本身的重量也是无法忽略的负载，这个负载对转动的叶片也是说变化就变化的。

在相互方方面面条件的共同影响，风力机在运行的进程中，可能会表现出颤振，致使叶片损坏。

对风轮叶片通过有限元考虑，分析工程机械的固有频率和振型，进一步预算和理解其在外载荷情况下的结构动力学特性，是非常必要的[1，2]。

5 总结本文在变换了翼型截面空间坐标的同时，绘制了叶片各个截面的空间曲线。

利用相关软件对风机叶片进行了三维实体建模，通过模态分析，得到了叶片在零转速下的前十阶固有频率及振型。

根据得到的振型，可以清楚的看出优化后叶片具有更强的抗扭振能力。

通过模态分析可知，风力机叶片的主要振动型式为挥舞和摆振，第七阶挥舞加上扭振，直至第十阶振型，才能凸显出扭转振动的影响。

基于Bezier曲线的潮流能水轮机层流翼型优化设计研究袁鹏; 陈超; 王树杰; 谭俊哲【期刊名称】《《可再生能源》》【年(卷),期】2019(037)010【总页数】5页(P1576-1580)【关键词】Bezier曲线; 潮流能水轮机; 层流翼型; 遗传算法【作者】袁鹏; 陈超; 王树杰; 谭俊哲【作者单位】中国海洋大学工程学院山东青岛 266100; 山东省海洋工程重点实验室山东青岛 266100【正文语种】中文【中图分类】TK7; P7430 前言潮流能水轮机叶片是由一种或多种翼型叠加组合而成的，翼型的水动力学性能直接影响水轮机的获能效率。

水轮机运行环境的复杂性以及叶片表面的粗糙度均会使叶片表面的流动从层流向湍流转捩。

有研究表明：层流翼型受到的阻力比普通湍流翼型小得多[1]。

层流翼型是一种为使翼表面保持大范围的层流并且以减小阻力为目的而设计的翼型。

因此，开发潮流能水轮机层流翼型对提高潮流能水轮机的获能效率有重要意义。

目前，对翼型的优化设计主要集中在风力机和航空航天领域。

在上世纪80年代中期，Tangle J L 使用Eppler 翼型设计和分析代码为各种尺寸的转子设计了9 个翼型系列，新设计的翼型具有较高的升力系数，且对粗糙度的影响相对不敏感[2]，[3]。

目前，应用比较广泛的风力机翼型主要包括美国可再生能源实验室开发的NREL-S系列翼型、荷兰代尔夫特理工大学开发的DU 系列翼型、丹麦RISØ 国家重点实验室开发的RISØ系列翼型以及瑞典航空研究院开发的FFA-W 系列翼型等[4]～[7]。

何君奎采用遗传算法对层流翼型进行了优化设计，并使用转捩模型对翼型进行了转捩流动的数值模拟，模拟结果显示，优化后的翼型具有较大的升阻比[8]。

张明辉采用多项式插值函数对翼型进行参数化表达，以S809 翼型为例对翼型进行了优化设计，优化结果表明，文章提出的方法具有良好的几何气动收敛特性[9]。

NACA4415翼型失速特性的二维数值研究
曲立群;汪建文;朱德臣;吴克启;高志鹰
【期刊名称】《内蒙古工业大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2009(028)001
【摘要】本文利用CFD软件对NACA4415翼型的失速特性进行二维数值研究.计算了来流攻角分别为-4度、0度、6度、14度、16度时翼型周围流场的速度分布和压力分布,并与二维PIV实验图片对比,掌握了NACA4415翼型的失速特性,为加小翼风轮的三维动态数值模拟和PIV实验莫定基础和做出预测.
【总页数】4页(P48-51)
【作者】曲立群;汪建文;朱德臣;吴克启;高志鹰
【作者单位】内蒙古工业大学能源与动力工程学院,呼和浩特,010051;内蒙古工业大学能源与动力工程学院,呼和浩特,010051;内蒙古工业大学能源与动力工程学院,呼和浩特,010051;华中科技大学能源与动力工程学院,武汉,430074;内蒙古工业大学能源与动力工程学院,呼和浩特,010051
【正文语种】中文
【中图分类】TK83
【相关文献】
1.风力机翼型转捩与失速特性的数值计算 [J], 李志敏;高伟;高月文;李春
2.转捩对风力机翼型和叶片失速特性影响的数值模拟 [J], 钟伟;王同光
3.G4-73型离心风机叶片翼型失速特性的数值研究 [J], 王松岭;张磊;刘哲;吴正人
4.翼型NACA4415的风力机气动特性数值模拟研究 [J], 樊小朝;魏子杰
5.旋翼翼型动态失速特性的数值仿真研究 [J], 邵明玉;杨茂;陈凤明
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风能转化原理与技术设计实验报告设计题目NACA4412翼型参数设计姓名孙岩雷学号 912108670128指导教师王学德提交日期 2014年 12月26日一、背景风能是太阳能转换的一种形式，是一种重要的自然资源，且据估计地球上可利用的风能比可开发利用的水能总量还要大10 倍以上。

随着社会的发展，能源危机愈来愈严重，而且燃烧化石能源所带来的环境危害也愈发不可忽视。

因此，作为新一代能源利用的典范，风力机的大规模应用也就理所应当了。

风轮是风力机最主要部件，其气动特性影响风能转换率，也决定了风力机的经济性。

水平轴风力机是现在最流行、最广泛的采用的风力机。

而风轮的翼型决定着风轮的气动参数。

随着航空科学的发展，世界各主要航空发达的国家建立了各种翼型系列，美国有NACA 系列，德国有DU系列，英国有RAE系列等。

这些翼型的资料包括几何特性和气动特性，可供气动设计人员选取合适的翼型。

而在现有的翼型资料中，NACA翼型系列的资料比较丰富，飞行器上采用这一系列的翼型也比较多。

本文就是在NACA4412翼型的基础上进行风力机设计的。

二、设计流程风轮设计主要确定如下关键参数有：风轮直径、叶片数、叶尖速比、叶片翼型、叶素弦长、叶素安装角等。

本文对翼型为NACA4412的风力机叶片进行外形设计，其给定的参数为：风力机的输出功率P=6.7kW，设计风速=7 m／s，风轮转速72rpm，风力机功率系数Cp ＝0.43，空气密度为1.225kg/m3，叶片数为3。

根据相关参数求得叶片的直径，然后通过读取翼型的相关数据确定最佳攻角，以及其所在位置处的最佳升力系数，最佳阻力系数和最佳升阻比，利用叶素理论。

动量理论和贝茨理计算叶片各个部位的相关参数(各个部分的周向诱导因子、轴向诱导因子、叶尖速比，入流角，桨距角和攻角)，并根据相关的结果作出叶片弦长和扭角与取样位置的曲线，进而得到整个叶片的设计方案。

已知最大设计输出功率Pu(W)和风力机前风速度确定情况下。

[新版]naca0012翼型的截面与升力阻力曲线图NACA0012翼型的截面与升力阻力曲线图NACA0012翼型是垂直轴风力机的优选翼型，这里根据美国网站提供的技术资料绘制了翼型截面图与升力曲线图，还有根据技术书籍描绘的升力阻力曲线图，供大家参考。

NACA0012翼型的截面图由于NACA0012是对称翼型，在下图左侧数据表中仅列出了单边的数据，表中c 是弦长(弦长为1.00);x是弦长坐标(单位是x/c);y是对应x位置的翼面与弦的距离(单位是y/c)。

图1 NACA0012翼型数据与截面图NACA0012翼型的升力曲线图图2是根据美国的技术资料数据绘制的NACA0012翼型的升力曲线图，在这张图中有多根升力曲线，显示了当雷诺数不同时翼型的最大升力系数与失速攻角都有较大的变化。

图2 NACA0012翼型升力系数曲线图NACA0012翼型的大攻角升力、阻力曲线图图3是根据“21世纪能源与动力工程类创新型应用人才培养规划教材“风力机空气动力学”” 一书图7.29描绘的NACA0012翼型的大攻角升力、阻力曲线图，供大家参考。

图3 NACA0012翼型大攻角升力、阻力曲线图该图显示了翼型攻角从-5度到180度的升力与阻力系数的变化，攻角在0度至10度升力系数随攻角增大而增大，阻力系数很小;超过12度时升力系数下降，阻力系数上升;攻角到40度后升力与阻力系数先是相同，然后阻力系数继续上升，升力系数下降。

NACA0012翼型的升/阻比变化曲线在图3中显示了翼型的升力与阻力随攻角的变化曲线，在实际应用中更关心的是在正常工作时的阻力情况，图4是根据“风能技术”(美Tony Burton，武鑫译)一书图3.100描绘，图中显示了NACA0012翼型在不同攻角时的升力/阻力系数比变化曲线。

图3 NACA0012翼型升/阻比变化曲线可见在失速前有最大的升力/阻力系数比值，升力约为阻力的50多倍。

当然这是一个光滑的翼型在较高雷诺数时的状态，多数情况会比该比值低一些。