級(jí)風(fēng)能空氣動(dòng)力學(xué)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書1

1、機(jī) 械 與 動(dòng) 力 工 程 學(xué) 院風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目： 風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì) 設(shè) 計(jì) 人：曹棟波班 級(jí)： 風(fēng)能1201 組 號(hào)：8指導(dǎo)教師： 姚桂煥 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2周 成 績(jī)：1設(shè)計(jì)目的：風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)課程設(shè)計(jì)是風(fēng)能與動(dòng)力工程專業(yè)中重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。通過該教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生熟練掌握風(fēng)力機(jī)葉片工作原理，并能夠通過結(jié)合動(dòng)量葉素理論相關(guān)知識(shí)與給定的環(huán)境條件設(shè)計(jì)出工作葉片，鞏固和提高其風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)及制造知識(shí)，樹立其理論知識(shí)指導(dǎo)設(shè)計(jì)的工作思想，加深其對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際的了解，培養(yǎng)其對(duì)工程技術(shù)問題嚴(yán)肅認(rèn)真、負(fù)責(zé)的態(tài)度，為其以后從事實(shí)際工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求：一、設(shè)計(jì)內(nèi)容： （

2、1）基于葉素和動(dòng)量理論設(shè)計(jì)水平軸風(fēng)力機(jī)葉片； （2）繪制風(fēng)力機(jī)葉片弦長(zhǎng)隨葉片展向長(zhǎng)度的變化曲線； （3）繪制風(fēng)力機(jī)葉片扭角隨葉片展向長(zhǎng)度的變化曲線； （4）繪制設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)的性能曲線； （5）編寫設(shè)計(jì)說明書，并附上必要的計(jì)算公式 （6）分組分別設(shè)計(jì)出不同翼型配置的風(fēng)力機(jī)葉片。2、 設(shè)計(jì)要求： （1）掌握風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)原理； （2）掌握風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)過程； （3）完成確定風(fēng)力機(jī)葉片的參數(shù)； （4）按時(shí)提交課程設(shè)計(jì)說明書、圖紙，按時(shí)參加答辯。3設(shè)計(jì)工作任務(wù)及工作量的要求一、對(duì)于給定的風(fēng)力機(jī)工作環(huán)境以及功率按照NACA給定的參數(shù)設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)工作葉片 每組同學(xué)數(shù)據(jù)給定情況不同可以采用手算和計(jì)算機(jī)編程序兩種

3、方式進(jìn)行，在答辯時(shí)要提前說明計(jì)算方法以及在每種方法中遇到的問題，經(jīng)教師校驗(yàn)方法正確后方可進(jìn)行答辯。二、編制課程設(shè)計(jì)計(jì)算說明書設(shè)計(jì)計(jì)算說明書中應(yīng)附上主要計(jì)算公式以及適用條件、工作原理、設(shè)計(jì)方法、系統(tǒng)構(gòu)成及流程、計(jì)算成立條件，字?jǐn)?shù)不少于10000字（至少要8000字），要求條理清晰，邏輯嚴(yán)密，字跡工整。4主要參考文獻(xiàn)：風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué). Martin O.L. Hansen（著），肖勁松（譯）. 中國(guó)電力出版社，2010風(fēng)工程與工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué). 賀德馨. 國(guó)防工業(yè)出版社，2006風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)理論及方法. 趙丹平. 北京大學(xué)出版社, 20125所用基礎(chǔ)理論： 根據(jù)動(dòng)量理論，描述作用在風(fēng)輪上的力與來流速

4、度之間的關(guān)系。 根據(jù)葉素理論，將風(fēng)輪葉片沿展向分成許多微段，即葉素，并假設(shè)在每個(gè)葉素上作用的氣流相互之間沒有干擾，作用在葉片上的力可分解為升力和阻力。 葉素-動(dòng)量理論，假設(shè)各個(gè)葉素單元作用相互獨(dú)立，各個(gè)圓環(huán)之間沒有徑向干擾，軸向誘導(dǎo)因子a并不沿著徑向方向改變。6相關(guān)參數(shù)的選定：（1）調(diào)速方式：失速（2）翼型 （例如：NACA系列、NASA LS系列、NREL S系列）（3）葉片數(shù)目：3片（4）風(fēng)力機(jī)功率：P=33kW (648 kW)（5）來流風(fēng)速：V=10m/s（612 m/s）（6）葉尖速比=8 （79）（7）風(fēng)能利用系數(shù)：0.43（8）傳動(dòng)效率：0.92（9）發(fā)電機(jī)效率：0.95（10）

5、葉片材料：玻璃纖維復(fù)合材料7風(fēng)力機(jī)葉片的外形設(shè)計(jì)計(jì)算1.確定風(fēng)輪直徑D 由于P=，所以風(fēng)輪直徑D=，風(fēng)輪半徑R= 2.確定風(fēng)輪轉(zhuǎn)速 3.計(jì)算雷諾數(shù) 在，壓強(qiáng)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.325kPa時(shí)，空氣的動(dòng)力粘度 在AirfoilTools網(wǎng)站上選擇雷諾數(shù)1000000時(shí)的圖像來確定最佳升阻比時(shí)對(duì)應(yīng)的升力系數(shù)和阻力系數(shù)。 4.根據(jù)在葉根處選擇相對(duì)較厚的翼型以承受葉片運(yùn)行時(shí)的應(yīng)力，并且能實(shí)現(xiàn)向葉根處的圓形斷面光滑過度；葉尖選用相對(duì)較薄的翼型以滿足葉片的氣動(dòng)性能要求。將葉片分成16個(gè)斷面：從葉片展向20%到95%，間隔5%來取。 在葉片展向20%、25%、30%、和35%處選擇剖面，并選擇翼型為NACA

6、4421； 在葉片展向40%、45%、50%和55%處選擇剖面，并選擇翼型為NACA4418； 在葉片展向60%、65%、70%和75%處選擇剖面，并選擇翼型為NACA4418； 在葉片展向80%、85%、90%和95%處選擇剖面，并選擇翼型為FX 60-160； 5.計(jì)算各剖面處的葉尖速比： 計(jì)算結(jié)果見表格1 6.在Airfoil Tools網(wǎng)站，查看各個(gè)翼型在最大升阻比時(shí)對(duì)應(yīng)的升力系數(shù)和阻力系數(shù)： 由左側(cè)的圖查得XXXX在最佳升阻比時(shí)，攻角時(shí)，升力系數(shù)，阻力系數(shù)，最大升力系數(shù)；由右側(cè)的圖查得XXXX在最佳升阻比時(shí)，攻角，升力系數(shù)，阻力系數(shù)，最大升力系數(shù)。 由左側(cè)的圖查得XXXX在最佳升阻比

7、時(shí)，攻角時(shí)，升力系數(shù)，阻力系數(shù)，最大升力系數(shù)；由右側(cè)的圖查得XXXX在最佳升阻比時(shí)，攻角，升力系數(shù)，阻力系數(shù)，最大升力系數(shù)。 7.計(jì)算四個(gè)剖面的弦長(zhǎng)各翼型斷面弦長(zhǎng)計(jì)算式為：式中為不同半徑對(duì)應(yīng)的形狀參數(shù)，為最大升力系數(shù)。將帶入，得計(jì)算結(jié)果見表格18.計(jì)算各界面處的扭角由左圖可知，在各界面處的的扭角：其中為各界面處的入流角，為翼型的攻角。i為各剖面沿弦長(zhǎng)展向位置的百分比。根據(jù)相關(guān)關(guān)系式就可以通過迭代方法求得軸向誘導(dǎo)因子a和周向誘導(dǎo)因子b，迭代步驟如下：（1）假設(shè)a和b的初值，一般可取0（2）計(jì)算入流角； （3）計(jì)算迎角（4）根據(jù)翼型空氣動(dòng)力特性曲線得到葉素的升力系數(shù) 和阻力系數(shù)（5）計(jì)算葉素的法向

8、力系數(shù)和切向力系數(shù)（6）計(jì)算a和b的新值其中，F(xiàn)為普朗特葉尖損失修正因子，。（7）比較新計(jì)算的a和b值與上一次的a和b值，如果誤差小于設(shè)定的誤差值（一般可取0.001），則迭代終止;否則，再回到步驟（2）繼續(xù)迭代。 計(jì)算示例： （1）假設(shè)a和b的初值，a=0,b=0； （2）計(jì)算入流角； （3）計(jì)算迎角； （4）根據(jù)翼型空氣動(dòng)力特性曲線得到葉素的升力系數(shù)和阻力系數(shù)； （5）計(jì)算葉素的法向力系數(shù)和切向力系數(shù) （6）計(jì)算a和b的新值 （7）比較新計(jì)算的a和b值與上一次的a和b值 所以取，再回到步驟（2）繼續(xù)迭代。 重復(fù)以上步驟，直到均小于0.1%,則可確定入流角，與此時(shí)的誘導(dǎo)因子a和b。由于需要迭

9、代計(jì)算次數(shù)較多，采用計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算（見附錄），計(jì)算結(jié)果匯總于表格1。 9. 計(jì)算CC和C 10.校驗(yàn) 因?yàn)?lt;8%,所以校驗(yàn)合格。 11.計(jì)算P、T和Q M= 12.計(jì)算葉片根部直徑此處取 葉片根部選擇高強(qiáng)度纖維T=300,拉伸強(qiáng)度為3.53GPa，= 所以， 取d=8、成績(jī)組成及考核標(biāo)準(zhǔn)：課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定采用優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格五級(jí)分制記分，成績(jī)包括平時(shí)答疑成績(jī)、設(shè)計(jì)計(jì)算說明書成績(jī)和答辯成績(jī)?nèi)糠?，其中平時(shí)答疑占20分，設(shè)計(jì)計(jì)算說明書成績(jī)占40分，答辯成績(jī)占40分?？偡?jǐn)?shù)為90100分的課程設(shè)計(jì)成績(jī)?yōu)椤皟?yōu)”，總分?jǐn)?shù)為8089分的課程設(shè)計(jì)成績(jī)?yōu)椤傲肌?，總分?jǐn)?shù)為7079分的課程設(shè)

10、計(jì)成績(jī)?yōu)椤爸小?，總分?jǐn)?shù)為6069分的課程設(shè)計(jì)成績(jī)?yōu)椤凹案瘛?，總分?jǐn)?shù)為059分的課程設(shè)計(jì)成績(jī)?yōu)椤安患案瘛薄３煽?jī)優(yōu)秀的比例一般不超過答辯人數(shù)的20%。出現(xiàn)以下情況中的任一項(xiàng)，課程設(shè)計(jì)成績(jī)直接為“不及格”：（1） 不提交設(shè)計(jì)計(jì)算說明書；（2） 無故不參加課程設(shè)計(jì)答辯；（3） 設(shè)計(jì)內(nèi)容與任務(wù)書的要求不符。設(shè)計(jì)流程圖一a誤差<8%b誤差<8%a誤差>8%b誤差>8%P誤差<8%P誤差>8%通過以上值求出a和b的計(jì)算值將a計(jì)算值和b計(jì)算值與a假設(shè)值和b假設(shè)值進(jìn)行比較，得到各自的誤差a誤差和a誤差計(jì)算每個(gè)下的dM、dP，并將所有dP相加得到P計(jì)算P與Pu的誤差由sin求出

11、不同下的值，已知最佳攻角由=-求的不同下的值，畫出與的曲線由公式求出不同下弦長(zhǎng)c的值，畫出c與的曲線步驟1：步驟2：步驟3：步驟11：步驟10：步驟9：步驟8：步驟4：步驟5：步驟14：步驟12：“、：將R分為10分，分別求取=0,1、0.2······0.9、1情況下的a和b選定翼型，確定最佳迎角下的Cl和Cd設(shè)定葉尖速比，V，Pu， 計(jì)算V計(jì)算葉片半徑R計(jì)算角速度假設(shè)a的值，求出 b的值步驟6：步驟13：將假設(shè)值代入公式分別求得W、sin、cos，Cx、Cy、 步驟7：接步驟8 流程圖二：以流程圖一為基礎(chǔ)，繪制Cp和的關(guān)系曲線步驟1：步驟4：步驟2：步驟7：a誤差>8%b誤差>8%a誤差<8%b誤差<8%將a計(jì)算值和b計(jì)算值與a假