風力發電機仿生葉片設計與性能分析

• 随着能源日益短缺，風能作為可再生能源的清潔來源在全球範圍内受到越來越多的關注，風力發電機是利用風能的最佳工具 [1]。随着近年來風力發電機的廣泛應用 [26]，逐步強調了如何提高風能利用率的問題。葉片是風力渦輪機最重要的部件之一，也直接與風接觸 [2] 。根據動量葉片元件的理論，葉片疊加的翼型沿翼展方向厚度不同[23] 。為了提高風能利用率，需要提高翼型性能。是好還是壞的表現機翼将直接影響到刀片的性能。

• 1 。風力機葉片的基本理論• 葉片升力由半徑為r且長度為δr 的葉片元件産生，該葉片元件沿翼展方向并作用在風力渦輪機葉片上[6] 。并且阻力是由軸向動量速率和由葉片元件掃過的環面空氣的角動量速率産生的 [3]， [5] 。葉片根部沒有葉片元件旋轉氣流的影響，但葉片元件随着葉片尖端葉片元件轉速的增加而迅速增加，驅動葉片旋轉[13] 。較小的攻角和薄後緣可以減少葉片元件的阻力并增加升力。葉片設計的經典理論是葉片元素動量理論[16] 。在風力渦輪機葉片的性能參數中，葉片的堅固性是決定渦輪機性能的主要參數，定義為葉片總面積除以風輪的面積 [19]。

• 2。仿生刀片設計• 本文旨在将海鷗翼的優良空氣動力學性能應用于風力機葉片設計。因此，選擇用于500W風力渦輪機葉片的原型的葉片，其總葉片長度為1200mm。仿生刀片經過數值模拟，用于比較和分析。首先是建立标準的500 W風力渦輪機模型并建立葉片的标準模型。

• 3.1 。完全改進的翼型的仿生刀片• 通過分析，我們發現海鷗翼具有較高的升阻比，影響風力機葉片氣動性能的主要因素是風力機翼型 [21]。因此，在仿生葉片設計中，首要考慮的是仿生機翼模型，它應用于葉片的仿生設計[4] 。首先，确定仿生葉片的基本幾何參數，并确定風力渦輪機的額定功率（P = 500W）。風力渦輪機的直徑R為2.4米，類似于标準葉片。通常選擇尖端速度比λ為6.根據經典葉片元件動量在設計葉片時，Hermann Glauert的模型，橫截面中的翼型弦長和迎角都在變化 [8]。目的是在不同的風速和轉速下獲得穩定的載荷，推力和功率。因此，對于翼型的每個橫截面，需要不同的扭轉角和弦長以确保沿翼展方向具有相同的升阻比并且産生高效率的葉片 [17]。平均分布動力學葉片在整個葉片上消耗的能量，葉片需要變形，并且葉片的不同橫截面中的升阻比是相同的。因此，翼型的扭轉角度和弦長在不同的截面上是不同的，以使葉片力均勻并獲得更高的風力效率。翼型需要在50％海鷗翼中選擇。通過計算，如圖1所示。

• 該升力系數當迎角為12°時，海鷗的翅膀可以達到1.92。為避免翼型在最大升力下嚴重失速，選擇最大升力的70％至80％作為升力系數，所選翼型的升力系數為1.57。但當迎角為5時，升阻比達到最大值。海鷗翼50％翼型和升阻比曲線的升力曲線如圖1 所示，仿生葉片參數總和如圖1所示。改進的翼型如表1所示。總改進翼型的仿生葉片如圖2所示。 圖1。海鷗翼50％翼型的提升曲線和升阻比曲線

圖2。完全改進的翼型的仿生刀片。

• 3.2 。部分改進的翼型的仿生葉片• 标準葉片尖端的改進是仿生葉片設計的另一種形式[18]，[20] 。對于風力渦輪機葉片，葉片的尖端極大地影響風力渦輪機葉片的空氣動力學性能，并且它是葉片噪聲的主要貢獻者。從大約50％的海鷗翼型截面中選擇的翼型導緻仿生翼型的最佳空氣動力學性能，并且它們用于在翼型定位之後替換70％的标準風力渦輪機葉片。葉片尖端的位置在旋轉的風輪機翼型件當雷諾數是Re≌1×10工作5。改進的标準葉片尖端和改進的葉片設計的翼型如圖3所示。

圖3。部分改進的翼型的仿生葉片。

• 3.3 。配置改進了仿生刀片• 配置改進的仿生葉片的方法是根據海鷗翼的構造的前緣擴展風力渦輪機葉片[9]，[10]，[12] 。葉片翼型的所有部分的空氣動力學中心位于海鷗翼的前線。标準葉片的弦長和攻角是恒定的。隻有空氣動力學中心位于海鷗翅膀的前線。這種配置改進的刀片如圖4 所示。 圖4。配置改進了仿生刀片。

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