陳洪林

1 課程設(shè)計(jì)的必要性

在學(xué)習(xí)了《風(fēng)力發(fā)電技術(shù)》這門課之后，學(xué)生初步掌握了風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)組成和工作原理，重點(diǎn)掌握了風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)的理論，為了將理論知識轉(zhuǎn)化為實(shí)際的動手能力，開設(shè)了課程設(shè)計(jì)。學(xué)生通過設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)葉片，可以熟練掌握風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)原理，并能夠通過結(jié)合動量葉素理論相關(guān)知識與給定的環(huán)境條件設(shè)計(jì)出工作葉片，掌握風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)及制造知識，學(xué)習(xí)并熟悉SolidWorks 等工程軟件進(jìn)行風(fēng)力機(jī)葉片的三維建模，樹立學(xué)生理論知識指導(dǎo)設(shè)計(jì)的工作思想，加深其對現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際的了解，培養(yǎng)其對工程技術(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)[1]。

2 課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)教學(xué)過程

《風(fēng)力發(fā)電技術(shù)》課程設(shè)計(jì)要求學(xué)生在一周時(shí)間內(nèi)完成，在此期間，學(xué)生在接到課程設(shè)計(jì)任務(wù)書后，要根據(jù)任務(wù)書的內(nèi)容要求，完成包括氣象資料收集，風(fēng)力機(jī)葉片參數(shù)的計(jì)算和風(fēng)力機(jī)葉片三維圖形的繪制等。本課程設(shè)計(jì)任務(wù)有一定難度，部分學(xué)生反映雖然時(shí)間緊張，但是通過課程設(shè)計(jì)基本掌握風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)的相關(guān)知識，學(xué)會了解決比較復(fù)雜工程問題的思路和方法，收獲很大。本次課程設(shè)計(jì)的過程如下：

2.1 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書的編寫

課程設(shè)計(jì)任務(wù)書在課程設(shè)計(jì)開始前下發(fā)給學(xué)生，任務(wù)書包含了本次課程設(shè)計(jì)要求學(xué)生完成的任務(wù)內(nèi)容，課程設(shè)計(jì)的基本要求、工作計(jì)劃的進(jìn)度安排和評級方式等，如果有必要，在任務(wù)書中要完成對班級人員的分組，保證每組一個(gè)題目，每個(gè)人數(shù)據(jù)不能重復(fù)。任務(wù)書要邏輯清晰，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，內(nèi)容完備，保證同學(xué)們能夠準(zhǔn)確理解課程設(shè)計(jì)題目意義，在老師的指導(dǎo)下，能夠比較順利的完成課程設(shè)計(jì)。

風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)流程圖如下：

圖1 風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)流程圖

2.2 氣象資料的收集

如圖1 所示，風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)的開端有兩個(gè)，分別是對當(dāng)?shù)仫L(fēng)資源進(jìn)行評估和確定風(fēng)力機(jī)的額定功率，其中風(fēng)資源的評估要必須要收集風(fēng)力機(jī)當(dāng)?shù)氐淖钌僖荒陼r(shí)間內(nèi)的測風(fēng)數(shù)據(jù)。但是，由于國內(nèi)目前的氣象數(shù)據(jù)基本上都在氣象局，而對于風(fēng)電企業(yè)來說，風(fēng)資源數(shù)據(jù)相當(dāng)于資產(chǎn)，因此作為學(xué)生很難獲取。學(xué)生主要通過網(wǎng)上查詢風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)資源數(shù)據(jù)，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，估算出平均風(fēng)速、最大風(fēng)速和有效風(fēng)能密度。

2.3 風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)理論和計(jì)算

風(fēng)力機(jī)葉片主要參數(shù)包括風(fēng)輪直徑、輪轂直徑、葉片長度、葉片數(shù)、葉片沿展向的各個(gè)翼型弦長、翼型扭角、葉片安裝角以及符合風(fēng)力機(jī)葉片空氣動力學(xué)的翼型選擇等。陳啟卷[2]總結(jié)了風(fēng)輪直徑、葉片數(shù)風(fēng)能利用系數(shù)等參數(shù)的選擇和計(jì)算方法，并總結(jié)了利用Wilson 理論，計(jì)算葉片安裝角和翼型弦長的方法；李偉[3]通過系統(tǒng)的比較了風(fēng)力機(jī)葉片空氣動力學(xué)設(shè)計(jì)中的Glauert 方法和Wilson 方法，由于Wilson 方法在Glauert 方法的基礎(chǔ)上引入了葉片尖端渦流損失和升阻比對葉片最佳性能的影響，因此成為國內(nèi)最常用的風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)理論。根據(jù)Wilson 理論或者Glauert 理論，利用MATLAB 軟件可以精確得到葉片沿展向的弦長分布和安裝角隨葉片直徑方向的數(shù)據(jù)分布[4]。

風(fēng)力機(jī)葉片翼型的種類有很多，選擇翼型的時(shí)候要綜合考慮翼型對升阻比的影響，對風(fēng)力機(jī)失速性能的影響以及最大限度地獲取風(fēng)能。翼型的選擇和數(shù)據(jù)獲取有兩種方法，第一種方法是利用profili 航空翼型設(shè)計(jì)軟件，選擇比較適合風(fēng)力機(jī)的翼型，或者設(shè)計(jì)新翼型，然后所選翼型的TXT 數(shù)據(jù)，第二種方法是登錄airfoil 網(wǎng)站，選擇合適翼型，獲取翼型的TXT 數(shù)據(jù)。利用Excel軟件對翼型數(shù)據(jù)進(jìn)行簡要處理，刪除不必要的x 和y 軸名稱，增加z 軸數(shù)據(jù)，這樣就可以利用SolidWorks 軟件，繪制翼型輪廓曲線。利用以上兩種方法都可以同時(shí)獲得所選翼型的升阻比隨攻角的變化關(guān)系，對于分析翼型的空氣動力性能有重要作用。獲得翼型的TXT 數(shù)據(jù)是對葉片進(jìn)行是三維建模的必要條件[5]。

2.4 風(fēng)力機(jī)葉片的三維建模

風(fēng)力機(jī)葉片是一個(gè)平滑的流線型弧面，每一個(gè)斷面必須均勻過渡，三維建模可以通過SolidWorks、AutoCAD 等軟件實(shí)現(xiàn)，本文以SolidWorks 為例，大致可以分為兩步：

（1）基準(zhǔn)面上翼型輪廓繪制：將風(fēng)力機(jī)葉片沿展向從葉根到葉尖平均分成至少15 等份，選定最佳葉尖速比λ 為7，計(jì)算得出每個(gè)截面的比速λi，再通過計(jì)算每個(gè)截面翼型的弦長和扭角，然后在每個(gè)基準(zhǔn)面上輸入翼型數(shù)據(jù)，生成15 個(gè)基準(zhǔn)面上翼型組，如圖2 所示。

圖2 基準(zhǔn)面翼型輪廓

（2）葉片實(shí)體建模：在完成每個(gè)基準(zhǔn)面上翼型輪廓曲線繪制后，將每個(gè)翼型輪廓曲線依次連接，選擇SolidWorks 的“凸臺/放樣”工具，通過放樣，生成葉片的實(shí)體三維模型，根據(jù)實(shí)際情況，需要對葉片輪廓進(jìn)行修整，使葉片輪廓成圓滑的流線型。最后對葉片的葉尖和葉根進(jìn)行優(yōu)化處理，完成葉片的三維建模。如圖3 所示。

圖3 風(fēng)力機(jī)葉片三維模型視圖

3 結(jié)論與展望

在課程設(shè)計(jì)的過程中，需要嚴(yán)格要求學(xué)生按照風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)流程，分步驟完成所有的設(shè)計(jì)過程，在此過程中學(xué)生可以比較系統(tǒng)地掌握風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)過程重要參數(shù)的選擇方法，風(fēng)力機(jī)葉素弦長、扭角和翼型的計(jì)算方法，最后通過SolidWorks 等三維設(shè)計(jì)軟件完成對葉片的三維建模。學(xué)生在掌握了葉片的建模后，可以在以后更進(jìn)一步研究葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和制造方法，對葉片進(jìn)行載荷分析，為下一步的學(xué)習(xí)和工作奠定基礎(chǔ)。