風(fēng)力機(jī)葉輪設(shè)計(jì)與葉片空氣動(dòng)力學(xué)仿真分析

1、肅風(fēng)力機(jī)葉輪設(shè)計(jì)與葉片空氣動(dòng)力學(xué)仿真分析莀一、概述腿作用在葉輪上的空氣動(dòng)力是風(fēng)力機(jī)最主要的動(dòng)力來(lái)源，也是造成各個(gè)零部件的主要的載荷來(lái)源。要計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的載荷就必須先計(jì)算出空氣作用在葉片上的作用力。除了氣動(dòng)載荷，風(fēng)力機(jī)葉片在風(fēng)機(jī)工作中受到的作用力主要還受到慣性力，特別應(yīng)該考慮重力、離心力和陀螺力等。薄風(fēng)力機(jī)的葉片設(shè)計(jì)分氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩大部分，氣動(dòng)性能計(jì)算為氣動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果提供評(píng)價(jià)和反饋，并為葉片 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供氣動(dòng)載荷等原始數(shù)據(jù)。氣動(dòng)性能計(jì)算的準(zhǔn)確性，直接影響葉片的氣動(dòng)性能和結(jié)構(gòu)安全，從而影響風(fēng) 力機(jī)的運(yùn)行效率和運(yùn)行安全。蒂二、風(fēng)力機(jī)葉片幾何參數(shù)膀1 .風(fēng)力機(jī)葉片翼型幾何參數(shù)和氣流角羆翼型是

2、組成風(fēng)力機(jī)葉片的基本元素，因此，翼型的氣動(dòng)特性對(duì)風(fēng)力機(jī)的性能起著決定性的作用。羇以一個(gè)靜止的翼型為例，其受到氣流作用，風(fēng)速為V,方向與翼型截面平行。肇圖1翼型的幾何參數(shù)和氣流角肅翼型的尖尾（點(diǎn)B）稱為后緣。薅圓頭上的A點(diǎn)稱為前緣，距離后緣最遠(yuǎn)。蟻I 翼型的弦長(zhǎng)，是兩端點(diǎn) A、B連線方向上翼型的最大長(zhǎng)度;腿C翼型最大厚度，即弦長(zhǎng)法線方向之翼型最大厚度;膃C 翼型相對(duì)厚度，C，通常為10%15%;羄翼型中線一從前緣點(diǎn)開(kāi)始，與上、下表面相切諸圓之圓心的連線，一般為曲線;莁f翼型中線最大彎度;羆f 翼型相對(duì)彎度,蒄帕零升力角，它是弦線與零升力線間的夾角；肁0 升力角，來(lái)流速度方向與零升力線間的夾角。羈

3、a = + W ( 2 - 1)蚄此處00是負(fù)值，o和是正值。袃袂 聿2. .NACA四位數(shù)字翼型族肇NACA四位數(shù)字翼型分為對(duì)稱翼型和有彎度翼型兩種。對(duì)稱翼型即為基本厚度翼型，有彎度翼型由中弧線與基 本厚度翼型迭加而成。中弧線為兩段拋物線，在中弧線最高點(diǎn)二者水平相切。四位數(shù)字翼型的表達(dá)形式為NACAXXXX第一個(gè)數(shù)字表示最大相對(duì)彎度的百倍數(shù)值 ；第二個(gè)數(shù)字表示最大彎度相對(duì)位置的十倍數(shù)值 ；最后兩個(gè)數(shù) 字表示最大相對(duì)厚度t的百倍數(shù)值。例如NACA2410翼型，其最大相對(duì)彎度為 9%;最大彎度相對(duì)位置為30%;最大相對(duì) 厚度為18%。節(jié)祎圖2攻角a =10.5時(shí)葉片受力MAC A 64冶iM朋

4、thickness 9.03% 酬 29.4% of the chordMas camber 5 07% atll 0% of the chordRe 30000 =R* WQOT =Re 40000 =Re 00(X -螞聿袈芃U.&7D.D&0.09圖3葉片升力系數(shù)和阻力系數(shù)0.1 D、葉輪CFD仿真角a7*裝角pE施轉(zhuǎn)平面氣相角I回轉(zhuǎn)軸賺衿圖4葉片在氣流中的受力分析罿 蚆已知條件:襖風(fēng)速v=8m/s ,葉輪外徑D=250 mm葉輪厚度b=40 mm, 輪轂直徑d=100 mm蕿 若：葉輪轉(zhuǎn)速n=200rpm ,螇線速度 u= n Dn/60=2.6 m/s ;螄則氣相角 l=arctg(

5、v/u)=arctg(8/2.6)=72 ;芄選翼型為NACA2410時(shí)，攻角a =10。，可得：安裝角 3 =I- a =72-10=62;芀又若：線速度u= 8m/s,則：轉(zhuǎn)速n=60u/ n D= 611 rpm螈I=arctg(v/u)=arctg(8/8)=45 ; 3 =I- a =45-10=35膆蚃表1: flue nt仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)肀 Blade衿5h芅6h肅7h螀9蚇9 h蚇12h薂18h薁3螈30oc 螆35羈40芁62蝿45襖7 4蚅40s肂74薇74芆45 肄45“ 螂74蚈PressureDifferen ces (Pa)蒞0.27蒃0.255羋0.326蝕0.128

6、螇0.219羃 0.130罿 0.382蕆0.175裊0.097莂 0.283蝿0.3227薈0.212羄 Forces (N) X-C螁1.6葿1.52蝕1.877莆 0.66-+- 芁1.238芀 0.514莇 2.230.9990.5931.5240.6470.647Moment (NM )-0.062-0.07-0.07-0.047-0.075-0.036-0.09-0.025-0.058-0.105-0.122-0.071注：h表示 d=100mm，否則 d=150mm ;四、理論計(jì)算葉片升力 Fy=CI X p v2S/2 =1.1 X 1.225 X 82X 0.003 =0.1

7、2kg五、分析結(jié)論：1、葉片越多，扭矩越大；2、安裝角為3045 時(shí)，扭矩較大，且無(wú)明顯差異；3、由于葉片尺寸較小，所以葉輪的氣動(dòng)特性差異不明顯，翼型影響也較小。附錄、各葉輪仿真實(shí)驗(yàn)詳細(xì)數(shù)據(jù)1、5葉片,(1)安裝角30Pressure Differences (pascal)From Boun daryTo Boun daryValuein letoutlet0.270037912556Pressure Differences (Total) (pascal)From Boun daryTo Boun daryValuein letoutlet0.266688413503Velocities

8、(m/s)Boun dary or Regi onAverageMinimumMaximumoutlet8.000006616387.542238095278.03176144015in let8.08.08.0hub0.00.00.0blade0.00.00.0flow-regi on7.998870189290.013.0147641438Pressures (pascal)Boun dary or Regi onAverageMinimumMaximumoutlet-0.509536461268-0.837022364140.0in let-0.239498548712-0.361808

9、7172510.113551989198hub-6.11743633104-115.75695037841.5277099609blade-10.1038917169-367.303131104129.74105835flow-regi on-0.474842265349-367.303131104129.74105835Pressures (Total) (pascal)Boun dary or Regi onAverageMinimumMaximumoutlet38.693813800734.298165131338.9829790228in let38.960502214238.8381

10、92045739.3135527521hub4.48389157665-90.802159013746.5633526369blade3.19278411713-360.95963736155.937268562flow-regi on38.7416665659-360.95963736155.937268562(2)安裝角40Pressure Differences (pascal)From Boun daryTo Boun daryValuein letoutlet0.326839743087Pressure Differences (Total) (pascal)From Boun da

11、ryTo Boun daryValuein letoutlet0.321891636562Velocities (m/s)Boun dary or Regi onAverageMinimumMaximumoutlet8.000010273617.519436261448.03983576077in let8.08.08.0hub0.00.00.0blade10.00.00.0blade0.00.00.0flow-regi on7.997566485460.014.35304269Pressures (pascal)Boun dary or Regi onAverageMinimumMaximu

12、moutlet-0.441587868739-0.6491182446480.0217580795288in let-0.114748125652-0.2611950337890.32120808959hub-5.23889354767-129.04757690441.2422904968blade1-10.5344783064-285.36633300841.6371612549blade-9.45141871405-331.97903442441.6660194397flow-regi on-0.405796904955-331.97903442441.6660194397Pressure

13、s (Total) (pascal)Boun dary or Regi onAverageMinimumMaximumoutlet38.763361000734.321014632239.1302007179in let39.085252637338.938805729239.5212088525hub5.66634001659-112.10871334346.2597114622bladel2.46701758788-242.96583283550.9565993154blade3274.5836556154.2874234729flow-regi on38.808

14、7641782-274.5836556170.3868095757Mass Flow Rates (kg/s)Boun daryValueoutlet-61.456882in let61.456909Net2.70000000029e-005Forces (N)Boun daryX-Comp onentY-Comp onentZ-Comp onenthub0.45032520.00218557640.0057531649blade10.293598390.165612240.0199314blade1.1374126-0.15796758-0.012916237Net1.881336190.00983023640.0127683279X velocl ty m/s3.待餅*以下無(wú)正文僅供個(gè)人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途。For personal use only in study and research; not for commercial use.僅供個(gè)人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung$ommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l e tude et la recherche uniquement