风能作为一种清洁无污染的可再生能源受到人们青睐,风力机的研究与发展对我国经济社会发展有积极的意义。本文以可在城市使用的小型风力机为研究对象,利用修正系数的方法改进叶片的外形参数,以此提高风力机的整体气动性能。本文以Wilson理论为基础,基于叶素动量修正理论,建立风力机叶片设计的理论模型。选择适用于中低速风况下的NACA63-215翼型,依据风能利用系数局部最优原则,通过Matlab等软件进行寻优计算,得到叶片不同半径处的诱导因子,利用参数化设计方法获得了叶片的弦长、扭角,建立3-8叶片6种不同风力机叶片的实体模型。叶片的外形参数得到优化,提高了风力机的输出功率与叶片的结构强度。以NACA63-215翼型作为叶片设计的原始翼型,并采用数值计算的方法分析各种湍流模型、雷诺数、叶片攻角、相对厚度等因素对翼型气动性能的影响。结果表明:在小型风力机的运行工况下,S-A湍流模型所得结果与文献所提供的结果更为吻合。同时发现,受攻角影响风力机翼型的流场会发生明显变化,攻角为0°时,翼型的上下表面的速度场与压力场呈对称分布;攻角为8°时,翼型前段出现明显的负压区域,翼型下表面压强高于上表面;攻角为16°时,负压区域明显向翼型前端移动,尾部出现分离涡,发生边界层分离现象。当攻角一定时,雷诺数越大,翼型升力系数越大,阻力系数越小。攻角低于8°时,翼型相对厚度对翼型升阻特性影响不大;攻角高于8°时,相对厚度越大,翼型升力系数越大,阻力系数越小。利用数值计算的方法分析了6种数目不同的风力机叶片的气动性能,获得了风速、风力机叶片数目及转速等对风力机输出功率、转矩、风能利用系数等气动参数的影响。风力机输出功率随风速的增加近似呈指数增长,6、7叶片风力机输出功率较其他叶片数目的风力机变化更显著;风力机输出转矩随转速先增加后降低,一定风速对应了一个最佳转速以满足风能利用系数最大的要求。对风力机流场分析的结果表明,6、7叶片风力机风轮前后能量亏损更大,此时6、7叶片风力机能量转化效率更高,风力机工作状态稳定且气动性能良好。采用双向流固耦合的方法,通过数值计算,获得了不同叶片数目风力机在有限通道内流体域与固体域的流场分布。研究风力机在不同叶片数目、转速、时刻的流场变化。结果表明,叶片变形会影响流场的波动,偶数叶片风力机流场较奇叶片稳定。风力机叶片的应力、应变分析:风力机叶片总变形随叶片数目增加而增加,8叶片风力机总变形最大;7叶片风力机等效应力最大。同时风力机叶片在离心力与气动力所形成的耦合力作用下,转速越大,叶片应力、应变越大;在以六叶片风力机为例,分析叶片在不同转速下的预应力模态参数,结果表明,预应力频率与静止状态下的固有频率差别不大,叶片未产生明显预应力效应。