叶片气动设计中的图解法

在叶片气动设计中，图解法是相对简单的一种设计方法。利用图解法首先要确定额定风速v_r，额定功率P_N，风轮半径R，额定叶尖速比λ_N，叶片数N等参数。这些参数已在总体设计中给出。图解法的设计步骤如下：

1.等分叶片

设计叶片时需要给定沿叶片展向各个横截面的几何参数，以便于加工制作。显然，截面数越多，设计和加工就越详细、越准确，但是，太多了反而使任务变得烦琐。因此，在设计中要根据实际情况选取截面数。一般来讲，总是把叶片按照一定长度或一定份数进行等分。假设把长度为L_b的叶片进行N₁等分，则每个截面之间的距离就是

d_s=L_b/N₁ （6-7）

如果轮毂半径为r_hub，则第i个截面距风轮旋转轴心，即距轮毂轴心的距离r_i为

r_i=r_hub+i×d_s （6-8）

式中，i=0，1，…，n₁；当i=0时，表示叶根截面；当i=n₁时，表示叶尖截面。

2.计算各个截面的周速比

周速比（或称当地速比）就是截面处的旋转线速度与风速的比值。第i个截面处的周速比就是

式中 λ_i——第i个截面处的周速比；

r_i——第i个截面距风轮旋转轴心的距离，即半径，单位为m；

R——风轮半径，单位为m；

n——风轮转速，单位为r/min；

v——风速，单位为m/s；

3.由图6-11找到周速比对应的安装角（即叶素桨距角）β

图6-11中所示的周速比和安装角的对应关系是由日本学者牛山泉总结出的基本规律，说明安装角只和周速比有关系，可以适用于任何叶片的简单设计。

图6-11 周速比与安装角的关系(www.xing528.com)

4.计算倾角φ_i

倾角是指风速与风轮叶片旋转平面所夹的角。倾角也称为风向角或流动角。第i个截面的倾角可以由以下简化公式计算得出

φ_i=arctan(1/λ_i) （6-10）

从而得到各个截面的攻角α_i，通常用下式表示

α_i=φ_i-β_i （6-11）

5.计算雷诺数Re

由于各个翼型在不同雷诺数下升阻关系曲线是不同的，因此就需要计算出风轮在风电场运转时的雷诺数。雷诺数是表征流体惯性力和黏性力相对大小的一个无因次相似参数，对叶片翼型的气动性能有重要影响。

计算雷诺数时需要有风电场空气密度，根据实际测量或者按照前面给出计算密度的方法可以得到当地风电场空气密度，再利用关系式

就得到雷诺数。

6.根据所用翼型数据的攻角和升力系数对应关系得到每个截面处翼型的升力系数C_l。

7.计算各个截面的弦长

式中 N——叶片数。

把通过上述步骤计算出的各项参数列一个表即得到叶片外形的基本参数了。图解法是一种简单的叶片计算方法，可以初步了解叶片设计中涉及的主要技术参数；但是这种方法中用到的关系式是在特定情况下得到的简单关系，其他对风能转化有影响的参数不能表示出来。

在实际工程设计中，在采用某种理论设计方法进行设计后，还要对设计结果进行修正，直到达到实际需求为止。

图6-12 简化叶素-动量定理设计法图示