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基于MATLAB的Wilson方法的叶片优化设计

口代元军口陆亦工口孙玉新口石宁

新疆工业高等专科学校乌鲁木齐830091

摘要：采用MATLAB语言作为计算机程序设计语言．综合Wilson方法考虑叶片梢部升阻比对叶片最佳性能的影

响，并考虑风轮在非设计状态下的性能编制计算机优化程序。目的是在设计工况下，通过优化设计叶片，使风轮具有最大

的风能利用系数．提高风力机的风能利用率。

风能利用系数优化设计

关键词：Wilson方法

中图分类号：TH443；TK83 文献标识码：A

风力发电机是将风能转化为电能的机械装置．风速，m／s；口2为离风轮远处的下游风速，m／s；s】、s2分别为

轮是风力机最主要的部件．由叶片和轮毂组成。叶片的 ”。、”：处对应的面积。

气动性和振动性直接影响风力机的运行情况。气动性风作用在风轮叶片上的力F和风轮输出的功率尸

直接影响风力机能否充分利用风能．因而在设计时必分别为：

须使叶片具有较高的风能利用系数．从而更好地用于

F=ps(口l叫2)／2 (1)

发电。

本文通过利用风力机的贝兹理论、涡流理论、叶素 Pps("l吲2)(口1-IV2)／4 (2)

式中：P为密度；风速／3。是给定的，P的大小取决于秽：，

理论、动量理论对Glauert法和Wilson法两种设计方

对式(2)微分求最大值：

案的分析比较．采用Wilson法对风力机进行优化设

计．Wilson法研究了梢部损失和升阻比对叶片最佳性 cp肛钉3． (3)

P眦=嘉_P蹦3=丁1

能的影响．并且研究了风轮在非设计工况下的性能．使

风轮具有较大的风能利用系数．最后采用MATLAB语 C。=o．593称作贝茨功率因数，声勘；／2正是风速形

言编写风力发电机叶片的设计计算程序．并优化设计成的能量。贝茨理论说明，理想的口。风能对风轮叶片

出300 做功的最高效率是59．3％。一般设计时根据叶片的数

W的风力机叶片。

量、叶片翼型、功率等情况，取0．25～0．45。

1 风力机空气动力学理论

1．2葛劳渥旋涡理论[2]

1．1贝茨理论… 旋涡理论的优点在于考虑了通过叶轮的气流诱导

世界上第一个关于风力发电机叶轮叶片接受风能转动。叶轮旋转时，流场并不是简单的一维定常流动，

的完整理论是1919年由德国的贝茨(Betz)建立的。贝而是三维流场．在流场中会形成3种旋涡(如图2所

茨理论的建立．是假定叶轮是“理想”的：全部接受风能示)。①由于气流流经旋转的叶轮．通过叶片尖部的气

(没有轮毂)，叶片无限多；对空气流没有阻力，空气流流迹线为螺旋线，在流场中形成螺旋涡流；②在轮毂附

是连续的、不可压缩的；叶片扫掠面上的气流是均匀近有同样的旋涡形成中心涡流；③气流通过叶片时，由

的．气流速度的方向不论在叶片前或叶片后都是垂直于叶片表面上下压力不同。也形成涡流．这个涡流叫边

叶片扫掠面的(或称平行叶轮轴线的)．这种叶轮称界涡流。

“理想叶轮”。其计算简图如图1．图中：／3，为距离风力对于空间某一给定点．其风速可认为是由非扰动

机一定距离的上游风速，m／s；秽为通过风轮时的实际风的风速和涡流系统产生的风速之和．由涡流引起的风

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