翼型的叶尖速比与攻角,失速

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。

垂直轴风力机非对称翼型叶片变攻角方法张立军;刘华;赵昕辉;张明明;李乐乐【摘要】分析了H型垂直轴风力机非对称翼型叶片在一定雷诺数下的升力系数和阻力系数的变化,给出了叶片攻角的合理变化范围.通过分析风轮旋转一周叶片攻角的变化,给出了不同叶尖速比下叶片攻角随其方位角变化的规律.利用Origin软件计算出上下风区叶片的安装角与攻角的对应关系,并确定合适的安装角.分析表明,通过改变风轮叶片的安装角来调整叶片的攻角,能使风力机始终保持较高的功率输出.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2016(034)002【总页数】6页(P232-237)【关键词】非对称翼型叶片;变攻角;安装角;Origin软件【作者】张立军;刘华;赵昕辉;张明明;李乐乐【作者单位】中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛266580;青岛东华士智能装备有限公司,山东青岛266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛266580;青岛东华士智能装备有限公司,山东青岛266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛266580【正文语种】中文【中图分类】TK83风能是一种无污染的可再生能源，其利用技术相对成熟，具有广阔的开发应用前景。

现在的风力机主要有阻力型和升力型两种，其中升力型风力发电机有水平轴和垂直轴两类。

目前，垂直轴风力机受到越来越多的关注[1]。

垂直轴风力机具有以下优点：①无需对风装置，可以接受任何方向的风；②没有沉重的机舱，大大降低了制造成本，增强了系统的可靠性；③塔架低，承载性能好，维护方便；④H型垂直轴风力机的叶片是直线型的，加工工艺简单，制造成本较低，可以实现机械化批量生产。

但是，垂直轴风力机在工作过程中，难以实现随风向变化实时调节叶片攻角，导致风能转化效率较低[2]，[3]。

本文对H型垂直轴风力机转子旋转360°过程中叶片攻角的变化规律进行了分析，为提高风力机的风能利用率，探讨了叶片安装角与攻角的对应关系。

风力机翼型气动力的雷诺数修正及其影响分析梁湿;刘雄;张林伟;李成良;张富海【摘要】目前,大型风力机翼型的运行雷诺数已经达到107量级,但高雷诺数下的气动数据普遍欠缺,也缺乏雷诺数效应对叶片的影响评估.文章结合翼型现有测试数据和Xfoil计算结果,以NACA63-421翼型为例,根据较低雷诺数下的气动力数据对较高雷诺数下的气动力数据进行了修正.分析了雷诺数对翼型升阻力特性、升阻比、前缘粗糙敏感性、转捩位置等气动特性的影响.根据翼型雷诺数修正方法对7.0MW风力机叶片翼型气动力进行修正,依据不同雷诺数下修正的气动力数据对叶片进行了气动计算,发现不同雷诺数下叶片的最优运行点会发生改变,影响气动效率和载荷.因此,设计过程中需要充分考虑雷诺数对风力机叶片气动特性的影响.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2015(033)011【总页数】6页(P1658-1663)【关键词】风力机;翼型;雷诺数;气动特性【作者】梁湿;刘雄;张林伟;李成良;张富海【作者单位】中材科技风电叶片股份有限公司,北京100092;汕头大学工学院,广东汕头515063;汕头大学工学院,广东汕头515063;北京万源工业有限公司,北京100176;中材科技风电叶片股份有限公司,北京100092;中材科技风电叶片股份有限公司,北京100092【正文语种】中文【中图分类】TK83翼型是叶片外形构造的基础，其性能对叶片的气动性能具有重要影响，而雷诺数是影响翼型气动性能的主要参数之一[1]。

在水平轴风力机中，叶片是最关键的部件之一，随着风电机组尺寸的不断增大，叶片翼型运行雷诺数也不断增大，Ceyhan 对20 MW级别、长123 m叶片的概念设计表明叶片运行雷诺数已达2.5×107[2]。

此外，风雪天气条件下，空气的粘性作用和密度变化也会导致雷诺数发生很大变化。

而风力机翼型表面气流流动状态一般会经历层流、过渡流到湍流的转变，即处于第一自模化区与第二自模化区中间，其气动性能受雷诺数变化的影响，在气动性能的预测中必须计及与雷诺数的非线性关系。

简析几种垂直轴风力机叶片攻角调整方法的优缺点简析几种垂直轴风力机叶片攻角调整方法的优缺点从达里厄发明升力型垂直轴风力机至今已80多年了，但一直未能广泛应用，主要是自身的一些缺点妨碍了应用,不能自起动是其重要的缺点, 主要的缺点还是对风力的变化范围与负荷的变化范围要求过窄，这也涉及它不能调速的缺点。

1. 固定叶片升力型垂直轴风力机的主要问题传统达里厄风力机采用ф形叶片，目前较多采用直叶片（H型）结构，达里厄风力机的叶片相对于风轮是固定的，也就是叶片弦线角度是不可调的。

图1是风轮的叶片分布图。

图1 垂直轴风力机叶片分布图升力型风力机是利用叶片的升力推动风轮旋转做功，对于多数普通翼型的叶片在理想状态下，在攻角为0至15度能产生升力，而在8至13度能产生大的升力且阻力较小。

图2是风力机的叶片旋转到风轮向风侧（0度位置）时的气流与受力图。

叶片在正常与失速时升力阻力对比图图2左侧图中叶片受到相对风速W的作用产生升力L与阻力D，相对风速W与叶片弦线的夹角即叶片的攻角α约为14度，相对风速W由风速V与叶片运动速度u合成，此时的叶片运动的速度约风速的4倍，即叶尖速比为4。

升力L与阻力D的合力为F，该力对风轮的力矩力为M，是推动风轮旋转的力。

在叶尖速比为4时，叶片运行在向风侧或背风侧均能产生推动风轮旋转的力矩，仅在两侧（90度与180度）附近升力很小，会有不大的负向力矩。

在图2右侧图中风速增加了一倍，叶片运动的速度未变，叶尖速比约为2，叶片的攻角α约为27度，叶片工作在失速状态，此时叶片产生的升力L下降了，阻力D大大上升了，相对风轮产生的力矩力M 为负向，是阻止风轮旋转的，而且在这种风速与转速下叶片运行在大多数位置均产生负向力矩。

其实叶片在叶尖速比为4（α为14度）时已在失速的边沿，低于4时升力L已不再增加，阻力D已明显上升，风叶产生的力矩力M有可能为0或负向。

好在叶片运行在0度至90度中间一段区域叶片攻角较小能产生正向力矩、在90度至180度、180度至270度、270度至360度的中间也有这样一段区域。

达里厄风力机（升力型垂直轴风力机之一）阻力型的垂直轴风力机虽然简单可靠，安装维修方便，但其叶尖速比在0.5左右才能获得较高的功率输出，也就是说叶片速度较低，仅为风速的一半，若风轮直径较大时，转速会很低，再说阻力型的垂直轴风力机最大功率系数不超过15%，这就限制了阻力型风力机在大型风力机中的应用。

目前大中型风电主要采用水平轴风力机，属升力型风力机，具有转速高、风的利用率较高的优点，其叶尖速比通常在4以上，转速高，最大功率系数可达50%。

垂直轴风力机也有升力型风力机，法国航空工程师达里厄（Darrieus）在1931年发明了升力型垂直轴风力机，后人习惯把升力型垂直轴风力机统称为达里厄风力机（D式风力机），下面介绍这种风力机的原理与结构。

叶轮由两片垂直的叶片阻成，叶片截面为流线型的对称翼型，以相反方向安装在转轴两侧。

注:为适合图中表示，叶片长度与支架长度都较实际比例缩小。

在下面图中列举了从0度到315度八个位置的叶片，风从左边进入，浅蓝色的矢量v是风速、绿色的矢量u 是叶片圆周运动的线速度反向（即无风时叶片感受到的气流速度）、蓝色的矢量w是叶片感受到的合成气流速度（即相对风速）、紫色的矢量L是叶片受到的升力。

我们分析一下叶片在这八个角度的受力情况，在90度与270度的位置，相对风速不产生升力，在其它六个位置上叶片受到的升力均能在运动方向产生转矩力，这也是达里厄风力机能在风力下旋转的道理。

实际上情况要复杂得多，前面分析图是理想状态，是在理想的叶尖速比与没有叶片的阻力时的状态。

叶片推动风轮旋转的转矩力是升力与阻力的合成力在叶片前进方向的分力。

我们取315度时的情况分析一下有阻力的情况，图中黑色的矢量D为叶片受到的阻力，棕色的矢量F是升力L与阻力D的合成力，该力在叶片前进方向的分力M才是实际的转矩力，显然此时的转矩力明显小于理想状况。

而且在180度与270度附近的角度内，升力与阻力的合成力产生的是反向转矩力。

风力机叶片设计与制作课程设计风力机空气动力学课程设计(综合实验)报告( 2012 -- 2013 年度第 1 学期)名称：风力机空气动力学题目：风力机叶片设计与制作院系：可再生能源学院班级：学号：学生姓名：指导教师：设计周数：成绩：日期：2014年1 月11日一、目的与要求主要目的：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、设计（实验）正文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/m35人一组，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)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s830 1.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：mC V PD P r 863.992.095.043.07225.11003.68833213=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯==πηηπρ 叶片半径：m DR 932.42386.92===2.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设计中取9处截面，分别是叶片半径的0.15,0.20,0.30，……，0.90.3.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：由气动数据表查得最大升力系数 LC =1.5283 ，取风机叶片数 B=3，不同半径处叶片弦长的计算由程序直接给出结果及线性优化后修正弦长如下：图如下（系列1为计算弦长；系列2为修正后弦长） 94)(/9162200+=R r r R N λλπ94)(9162200+==R r B C R B C rN C l l λλπ3. 各截面处翼型的扭角：由右上图知各截面处的扭角 ：αφθ-=其中φ为各截面处的入流角，α为翼型临界攻角，且由气动数据表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：1) 假设a 和b 的初值，一般可取0；2) 计算入流角；3) 计算扭角θ = φ -α；()()r b V a Ω+-=11arctan1φ0.00000.20000.40000.60000.80001.00001.200000.51 1.52 2.53 3.54 4.55弦长随叶高的分布修正后的弦长未修正的弦长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 2πBcr 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。

风力发电机的几种功率调节方式作者：佚名发布时间：2009-5-5随着计算机技术与先进的控制技术应用到风电领域，并网运行的风力发电控制技术得到了较快发展，控制方式从基本单一的定桨距失速控制向变桨距和变速恒频控制方向发展，甚至向智能型控制发展。

作为风力资源较为丰富的国家之一，我国加快了风电技术领域的自主开发与研究，兆瓦级变速恒频的风力发电机组国产化已列入国家“863”科技攻关顶目。

本文针对当前并网型风力发电机组的几种功率凋节控制技术进行了介绍。

l 定桨距失速调节型风力发电机组定桨距是指桨叶与轮载的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。

失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速69，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，来限制发电机的功率输出。

为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机（即大/小发电机）。

在低风速段运行的，采用小电机使桨叶具有较高的气动效率，提高发电机的运行效率。

失速调节型的优点是失速调节简单可靠，当风速变化引起的输出功率的变化只通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，使控制系统大为减化。

2 变桨距调节型风力发电机组变桨距是指安装在轮载上的叶片通过控制改变其桨距角的大小。

其调节方法为：当风电机组达到运行条件时，控制系统命令调节桨距角调到45”，当转速达到一定时，再调节到0“，直到风力机达到额定转速并网发电；在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0°位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。

随着风电控制技术的发展，当输出功率小于额定功率状态时，变桨距风力发电机组采用OptitiP技术，即根据风速的大风力发电机的几种功率调节方式作者：佚名发布时间：2009-5-5调整发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比，优化输出功率。

第十二章机翼理论课堂提问：雁群迁徙时为什么呈”人字形”飞行?机翼理论：研究支持飞机升空,水翼船飞腾的机翼理论。

在航空，舰船等工程上应用最多，舵、螺旋桨，减摇鳍、水翼、扫雷展开器，研究船舶的操纵性时可以把船体的水下部分看作是一个机翼（短翼）。

此外在风扇，鼓风机，压缩机，水上运动器械如帆板，脚蹼等都与机翼理论有关。

本章内容：1.几何特性2. 流体动力特性3.有限翼展机翼（三元机翼）本章重点：1. 机翼几何特性。

2. 机翼几何特性对流体动力特性的影响。

3. 下洗速度形成的概念及计算，自由涡、附着涡形成的概念。

4．升力线理论的概念。

5. 诱导阻力的概念，诱导阻力的计算。

6. 展弦比换算的思路及计算。

本章难点：1. 机翼几何特性对流体动力特性的影响。

2. 升力线理论的概念。

3. 展弦比换算。

§１２-１机翼的几何特性一、翼型（profile）翼剖面的重要参数：中线（center line），翼弦（chord）b，拱度（camber）f，相对拱度f/b，展长l，厚度t，相对厚度t/b，（thicheness），攻角（angle of attach）α，翼型面积S，展弦比λ等。

根据工程应用的需要，机翼的平面形状多样。

展弦比2lS λ=对于矩形机翼S lb =, 所以 2l llb bλ== 无限翼展机翼：12λ=∞: 短翼：λ<2， 大展弦比机翼：λ>2 船用舵0.5 1.5λ=:， 水翼57λ=: 战斗机24λ=:，轰炸机712λ=:，风洞试验一般采用标 准机翼56λ=:。

机翼的攻角又分为：几何攻角α：来流速度0U 与弦线之间的夹角。

基本形状：后缘总是尖的（产生环量） 圆前缘：减小形状阻力尖前缘：减小压缩性所引起的激波阻力或自由 表面所引起的兴波阻力翼型：几种常见的翼型ＮＡＣＡ翼型（美国国家航空咨询委员会（National Advisori committee for Aeronautics ，简称NACA ）设计发表的）目前在舰船的舵、螺旋桨上用得较多的是NACA 翼型系列。

第51卷第2期2020年2月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.51No.2Feb.2020涡流发生器对垂直轴风力机翼型气动性能的影响张立军，朱怀宝，顾嘉伟，马东辰，米玉霞，于洪栋，刘静，缪俊杰，李想(中国石油大学(华东)机电工程学院，山东青岛，266580)摘要：为推迟翼型的边界层分离，改善叶片的气动性能，提出一种在H 型垂直轴风力机对称翼型NACA0012叶片表面上加装涡流发生器的设计方案。

利用FLUENT 软件对翼型进行三维流体力学仿真，采用正交试验设计法，研究涡流发生器的高度、安装角度和安装位置这3个设计参数对翼型气动性能的影响。

研究结果表明：最佳的涡流发生器高度为6.5mm 、安装角度为18°、安装位置为0.1c (c 为叶片弦长)，过大或者过小的涡流发生器高度和安装角会降低翼型的升力系数和升阻比；安装位置靠近翼型前缘可增大翼型的临界攻角，但会给翼型带来较大阻力；加装涡流发生器后，对称翼型叶片失速区范围减小40.3%。

关键词：垂直轴风力机；涡流发生器；正交试验设计；气动性能中图分类号：TK83文献标志码：A开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2020）02-0540-11Influence of vortex generator on aerodynamic performance ofairfoil of the vertical axis wind turbineZHANG Lijun,ZHU Huaibao,GU Jiawei,MA Dongchen,MI Yuxia,YU Hongdong,LIU Jing,MIAO Junjie,LI Xiang(College of Mechanical and Electronic Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)Abstract:In order to delay the separation of the boundary layer and improve aerodynamic performance of blades,a design method for installing vortex generator(VG)on the blade of H-type vertical axis wind turbine based on symmetrical airfoil NACA0012was proposed.By using FLUENT software,three-dimensional fluid dynamics simulation model was built.The influences of heights,arrangement positions and installation angles of the VG on the aerodynamic performance of airfoil were studied by orthogonal design method.The results show that the optimum height of the VG is 6.5mm,the optimum installation angle is 18°and the optimum arrangement position is 0.1c .The lift coefficient and lift-drag ratio of airfoil will be reduced if the height and installation angle are too large or too small.The critical angle of attack of the airfoil increases when the installation is close to the leading edge of the airfoil,but it will bring greater resistance to the airfoil.The stall region of symmetric airfoil blade is reduced by 40.3%by using VG.Key words:vertical axis wind turbine(V AWT);vortex generator(VG);orthogonal test design;aerodynamic performanceDOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2020.02.028收稿日期：2019−04−08；修回日期：2019−06−08基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51707204)；中央高校基本科研业务专项资金资助项目(17CX05021)(Project(51707204)supported by the National Natural Science Foundation of China;Project(17CX05021)supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities)通信作者：张立军，博士，教授，硕士生导师，从事可再生能源技术和绿色装备制造研究;E-mail:zhanglijun@.cn第2期张立军，等：涡流发生器对垂直轴风力机翼型气动性能的影响按照风轮旋转轴与地面的几何关系，风力发电机可分为垂直轴风力机与水平轴风力机。

垂直轴风力机与水平轴风力机的论述风力发电行业目录1风力机叶片概述 (3)1.1升力 (3)1.2攻角 (4)1.3节距角控制和失速控制 (5)1.4阻力 (6)1.5叶片升力阻力比 (7)1.6叶尖速度 (7)2风力机的类型 (8)2.1垂直轴风力机 (8)2.2水平轴风力机 (10)3垂直轴风力机 (13)4水平轴风力机 (17)5叶片的几何设计 (20)6叶片的数量 (20)6.1三叶片风力机 (21)6.2双叶片风力机 (23)6.3单叶片风力机 (25)6.4五叶片风力机 (26)7叶片类型比较 (27)8单叶片、双叶片和三叶片风力机的优缺点 (28)1风力机叶片概述风力机叶片也称为机翼，每一种风力机叶片的设计都不同，要理解机翼需熟悉一些专用词汇，如升力、阻力、升力阻力比、失速、攻角和转矩。

这部分解释了风力机叶片与飞机的螺旋桨的相似性，并且这样的设计如何将风能转为电能，通过熟悉这些词汇来理解风力机叶片设计与应用技术。

1.1 升力升力被定义为：空气流过叶片时，在其上方产生了一个低压区，从而使得它上低压区的出现是因为空气在机翼上方流过的距离比下方长，因为同样的空气流过上下两面，所以产生压差。

下图表示了空气流过机翼产生升力的情况。

机翼上方的压力小于下方，产生了机翼的升力，这种升力也用于飞机机翼使得飞机上升，空气越快地流过机翼，升力就越大。

当风流过风力机叶片时，也产生如同升力一样的效果，使得风力机叶片旋转。

简单地讲，空气流过风力机叶片的上方（圆面）产生低压区，压差使得风推动叶片平的一面而拉动圆的一面，所以叶片开始向低压区转动。

另一个思考方式是当风吹过叶片，叶片以叶片前缘向着叶片旋转方向的方式转动。

下图所示为风力机叶片的前缘和尾缘。

风越大，压差越大，叶片旋转越快，获取的动能越多，这个能量通过叶片被固定的机械轴转化为旋转能量。

在一些风力机中，发电机被安放在轴的另一端；而另一些风力机中叶片驱动的转轴也许被连在一个动力传送装置上，而后者第二个转轴驱动发电机。

风力机最佳攻角与最大升阻比攻角非等同性研究赵骞;厉伟;姚兴佳;范释艺;邵一川;张靖;李鑫【摘要】为提高风力机风能利用率,追求最大风能利用系数,对水平轴风力机最佳攻角与最大升阻比攻角的非等同性进行了理论分析,并采用叶素动量理论对其进行实例论证,以及通过计算流体力学(CFD)对结论进行仿真验证.研究结果表明,二者具有非等同性,最佳攻角略大于最大升阻比攻角,处于最佳工作点的风力机具有更高的风能利用系数,同时具有最大的速度比阈值区间.研究进一步发现,对于目前工作于最大升阻比攻角状态的风力机,通过减小叶尖速比的方式可以使其过渡到最佳攻角状态.%In order to further improve the utilization rate of wind energy and track the maximum wind energy utilization coefficient,optimum angle of horizontal axis wind turbine and the non-equivalence of maximum lift-to-drag ratio angle is demonstrated theoretically,and the example is expounded by element momentum theory,and the conclusion is further verified by computational fluid dynamics (CFD). The results show that the two are not equal,and the optimal angle of attack is slightly larger than the maximum lift-to-drag ratio,the wind turbine has there are the maximum wind energy utilization factor and the maximum velocity ratio threshold region in wind turbine which is at the optimum angle of attack. And through the study found that for the current work in maximum lift-to-drag ratio,the attack angle of the wind turbine can be transit to the optimum angle of attack by reducing the tip speed ratio. The wind turbine has there are the maximum wind energy utilization factor and the maximum velocityratio threshold region in wind turbine which is at the optimum angle of attack.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2017(035)011【总页数】6页(P1693-1698)【关键词】风力机;最佳攻角;最大升阻比攻角;风能利用系数【作者】赵骞;厉伟;姚兴佳;范释艺;邵一川;张靖;李鑫【作者单位】沈阳工业大学风能技术研究所, 辽宁沈阳 110023;沈阳工业大学风能技术研究所, 辽宁沈阳 110023;沈阳工业大学风能技术研究所, 辽宁沈阳110023;国网辽阳供电公司信息通信分公司, 辽宁辽阳111000;沈阳大学信息工程学院, 辽宁沈阳 110044;沈阳工业大学风能技术研究所, 辽宁沈阳 110023;沈阳大学信息工程学院, 辽宁沈阳 110044【正文语种】中文【中图分类】TK83人类所面临的能源危机及环境污染问题使人们不得不大力发展可再生能源，风能作为可再生能源中储量最丰富的能量形式得到人们的关注，关于风力发电的各方面的研究层出不穷[1]～[4]。

我国风电发展存在的问题及建议摘要：科技的进步，促进人们对能源需求的增多。

风力发电作为新能源发电的一种，其应用方向与发展前景非常广阔，大型风力发电机组能够有效提高风力发电的效率，必将在风力发电行业中得到广泛应用，而对于风力发电技术的研究也将成为世界新能源开发的重点。

由此可见，能源格局正在变化，由一次性能源系统正逐渐转变为以可再生能源为基础的可持续能源体系，风力发电前景广阔。

利用可再生能源，可以帮助人类文明获得可持续发展的途径，是人类与自然和谐共存的重要方向。

本文就我国风电发展存在的问题及建议展开探讨。

关键词：风力发电；技术发展；可再生能源；发展前景引言我们日常生活中所使用的能源主要以天然气等不可再生能源为主，这类能源的使用是不利于可持续发展目标的。

对此，进行可再生能源的开发工作，是当前世界范围内所关注的重点。

风能是一种常见的可再生能源，其开发的潜力巨大。

1风力发电的特点风力发电就是使用风能进行发电。

风力发电机组将风能转变为机械能之后再转变为电能，所以风轮、发电机是风电机组中最为关键的部件。

风轮在风力的作用下旋转，把风的动能转变为风轮轴的机械能，风轮的转轴与发电机的转轴相连，发电机在风轮轴的带动下旋转发电。

目前风力发电中所使用的风电机组风能利用率最高能做到60%左右，一般风力发电场内所使用的现代风轮发电效率仅为40%。

由于风速是不稳定的，处于经常性的变化状态之中，在野外运行的风电机组常常会面临较为恶劣的自然环境，这就会导致风力发电机组相较于其他工业机组运行上更为困难。

我国风力发电机组的使用寿命一般是在20年左右，在世界行业领域中处于较高水平，能够经受住大部分恶劣的自然条件，所以利用率很高。

2风力发电现状风力发电主要是利用风动能来进行转化，使其成为机械动能，最后再把机械能转换成为电能。

风能本身是一种可再生能源，因此，风力发电本身就具有一定的环保性质。

2005年《可再生能源法》立法后，风能这类可再生能源得到了更多的重视，其意义更是不容忽视的。

达里厄风力机Darrieus Type Wind Turbine阻力型垂直轴风力机虽然简单可靠，安装维修方便，但其叶尖速比在0.5至0.9左右才能获得较高的功率输出，也就是说叶片速度较低，风轮外沿线速度仅为风速的一半多，若风轮直径较大时，转速会很低。

阻力型风力机的受风面积中只有一半被利用，另一半往往还做负功，所以阻力型的垂直轴风力机功率系数较低，一般不超过15%，S型阻力风力机虽可达25%，但其巨大的风叶生产制造、运输、安装都很困难，使其无法在大型风力机中使用，这就限制了阻力型风力机的广泛应用。

目前大中型风电主要采用水平轴风力机，属升力型风力机，具有转速高、风的利用率较高的优点，其运行叶尖速比通常在4以上，转速高，最大功率系数可达50%。

垂直轴风力机也有升力型风力机，法国航空工程师达里厄（Darrieus）在1931年发明了升力型垂直轴风力机，后人习惯把升力型垂直轴风力机统称为达里厄风力机（D式风力机），达里厄风力机的原始机型是φ形结构，在国外已运行的大中型达里厄风力机是φ形结构，中小型采用H形结构。

在国内目前一些小微型升力阻力结合风力机采用φ形结构，大一些的达里厄风力机多采用H 形结构，下面就H形结构达里厄风力机的原理进行介绍。

达里厄风力机的基本原理图1是H形达里厄风力机风轮结构图，风轮由两片与转轴平行的叶片阻成，叶片截面为流线型的对称翼型，以相反方向安装在风力机转轴两侧，风轮绕风力机转轴旋转。

为较清晰表示其结构，图中将叶片弦长较实际比例进行夸大。

图1--H型达里厄风力机的风轮下面是H形达里厄风力机的旋转动画。

H形达里厄风力机旋转动画垂直的叶片是如何带动风轮旋转呢，通过图2来分析其原理，风轮轴在叶轮径向线上，叶片随风轮旋转沿翼片轨迹运动到上风面某位置，来风从左边进入，浅蓝色的矢量v是外来风速、绿色的矢量u是叶片圆周运动的线速度(其箭头方向是无风时翼片感受到的气流方向与速度)、紫色的矢量w是叶片感受到的合成气流速度（即相对风速）、紫色的矢量L是叶片受到的升力，黑色的矢量D 为叶片受到的阻力，棕色的矢量F是升力L与阻力D的合成力，合成力在叶片前进方向的分力M 就是是推动风轮旋转的力，该力形成对风轮转轴的转矩。

风力发电机叶片的设计能源与环境的协调发展是实现国家现代化目标的必要条件。

随着全球气候变暖与化石能源的不断消耗及其对环境的影响问题，其他能源的开发越来越受到重视，如核能、地热能、风能、水能等新能源及生物质能、氢能的二次能源的开发应用也日益发展起来。

而在这些新兴的能源种类中，核能的核废料处理相当困难，并且其日污染相比火电厂更为严重，同时需要相当严密的监管控制能力以防止其泄露而产生不可估量的破坏，国际上这些例子也是相当多的。

而地热能的开发势必要依赖与高科技，在当今对地热开发利用还不完善的现状下，更是难以做到，并且其开发对地表的影响也相当大。

而风能则作为太阳能的转换形式之一，它是取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源，不产生任何有害气体和废料，不污染环境。

海上，陆地可利用开发的可达2×1010kW，远远高于地球水能的利用，风能的发展潜力巨大，前景广阔。

自20世纪70年代中期以来，世界主要发达国家和一些发展中国家都在加紧对风能的开发和利用，减少二氧化碳等温室气体的排放，保护人类赖以生存的地球。

风力发电技术相对太阳能、生物质等可再生能源技术更为方便，成本更低，对环境破环更小，作为清洁能源的主要利用方式而飞速发展，且日益规模化。

一、叶片设计的意义在风力发电机中叶片的设计直接影响风能的转换效率，直接影响其年发电量，是风能利用的重要一环。

本文主要是设计气动性能较好的翼型与叶片并进行气动分析。

而翼型作为叶片的气动外形，直接影响叶片对风能的利用率。

现在翼型的选择有很多种，FFA-W系列翼型的优点是在设计工况下具有较高的升力系数和升阻比，并且在非设计工况下具有良好的失速性能。

叶片的气动设计方法主要有依据贝茨理论的简化设计方法，葛老渥方法与维尔森方法。

简化的设计方法未考虑涡流损失等因素的影响，一般只用于初步的气动方案的设计过程；葛老渥方法则忽略了叶尖损失与升阻比对叶片性能的影响，同时在非设计状态下的气动性能也并未考虑；维尔森方法则较为全面是现今常用的叶片气动外形设计方法。

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。

翼型的叶尖速比与攻角,失速在空气动力学中，失速是指翼型气动攻角(Angle of attack) 增加到一定程度（达到临界值）时，翼型所产生的升力(lift force)突然减小的一种状态。

翼型气动迎角超过该临界值之前，翼型的升力是随迎角增加而递增的；但是迎角超过该临界值后，翼型的升力将递减。

尾流是指在飞行时，由于翼尖处上下表面的空气动力压力差，产生一对绕着翼尖的闭合涡旋，翼型的叶尖速比与攻角要使在气流中运行的翼型有最大的升力与较小的阻力，翼型必须有理想的攻角，水平轴风力机在风速与转速不变时其叶片的攻角也不变，而传统的达里厄风力机的叶片是固定的，也就是在风轮旋转一周时翼型自身也旋转360度，其攻角是在不停的变化。

下面就是翼型旋转在4个象限时的攻角计算辅图。

为了便于观察分析，图中风轮半径缩小，攻角夸大。

v是外来风速，u是叶片线速度， w是相对风速，α是攻角，θ是叶片绕风轮转角（叶片位置）。

由于风力机由2个以上的叶片构成，在上风侧做过功的风速会降低，我们近似认为翼型在上风侧（0至180度）与下风侧（180至360度）的风向不变、但风能损失30%，下风侧风速降低至84%。

按图1来计算攻角，tanα= vr /( vt +u)vr= v*sinθvt= v*cosθtanα= v*sinθ/( v*cosθ+u)= sinθ/(cosθ+u/v) 式中u/v是叶尖速比λα= arctan(sin(θ) /( cos(θ) +λ)) (1.1)按图2、图3、图4来计算结果相同，就不再列举了。

设叶尖速比λ分别为2、3、4、5、6，用MATLAB软件计算相应的攻角在0至360度的变化曲线，通过计算得出如下曲线图。

图中每一根曲线显示了翼型在相应叶尖速比下的攻角变化，这个叶尖速比是按整个风轮计算的，实际上在下风面风速减慢，叶尖速比要比上风面大一些。

根据对称翼型的升力系数与攻角间的关系，失速角一般在11至13度，理想状态下可达15度，所以翼型的最大攻角不要超过15度。