[摘 要]在已知风机载荷和周边环境风速的情况下，使用一维动量理论及叶素动量理论对风轮半径、旋转角速度以及叶尖速比等参数进行了选取了计算，并使用软件MATLAB对叶片不同叶素截面针对扭角和弦长进行了计算，最终选取翼型得出了翼型表面。
　　[关键词]叶片；翼型；扭角
　　中图分类号：TK83 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）44-0345-01
　　随着风能利用技术的不断发展，大功率MW级风机已经进入了实验和应用阶段，叶片尺寸的不断增大增长，对叶片受力提出了更高的要求，为了使叶片沿轴线方向的受力尽量保持稳定，在叶片设计中，沿轴线方向其翼型及扭角需要不断变化，这种设计使得风力叶片外形非常复杂，其翼型轮廓也很难找到对应的数学方程来进行表述。因此在已知风机功率和当地平均风速的情况下，如何正确处理叶片参数以及计算翼型是叶片设计的必要步骤。
　　一、叶片参数选取及计算
　　本文参照淄博卡特风力发电机有限公司的“CAT-20W”叶片技术指标，假设风机标称功率为20KW，平均风速为10m/s，针对风能吸收效率Cp、叶片数 B、风轮半径R、及叶尖速比λ0等各项参数，使用相应的叶片设计理论来进行选取和计算。
　　1 风能吸收效率CP
　　在风力叶片中，影响风机风能吸收的通常有两个参数：前端叶片处的机械效率Cmech、后端电机处的电气功率Celec。前者，在现代三桨叶风轮轮毂处测出的最优值范围是0.52～0.55；而后者的电气功率一般为0.46～0.48[1]。由贝茨理论的定义可得：风能吸收效率CP为单位时间内，风轮吸收功率与风能总功率的比值，有公式为：
　　该值即为风力机标称功率，一般取值范围是0.25～0.45，这里本文Cp取值0.39。
　　2 风轮半径R
　　计算风轮半径R，则通过空气速度求得起单位质量内所携带的风能，并且计算出风轮所需要吸收的动能总量，求得风轮上通过的空气总体积，反推出风轮半径。由于公式推导中均为单位时间内，因此动能转化成功率计算。
　　风能总功率有公式[2]为：
　　3 叶尖速比λ
　　叶尖速比的定义为：叶片上的叶尖速度与来流风速的比值。作为叶片设计中的重要参数，叶尖速比的大小通常对应着风能吸收率的大小，变桨距风机关系图4 叶片数B
　　由于λ取值为4～7，因此属于高速型风机，对应叶片数B应取值2～3，现在大部分高速风机均使用3叶片系统，因此B取值为3。
　　由上述参数，得到叶片参数汇总表如下：
　　表格1叶片基本参数表
　　二、翼型设计
　　由叶素理论可知，翼型的升阻比大小直接影响风轮的风能利用系数CP，在翼型设计以及后续翼型优化中，设计目标通常以风能利用系数CP最大化作为评判标准，同时考虑光滑与粗糙的工况，使翼型升阻比最大化，有公式[4]下：
　　式中：、分别为光滑与粗糙下的权值系数，，且；CL/CD以及C`L/C`D分别为光滑与粗糙下的升阻比。
　　依据BEM理论，再通过MATLAB的矩阵和组数计算，导出了15个叶素截面上的弦长以及扭角系数，由数据画出叶片扭角分布图如图1：
　　根据上述叶片设计尺寸，以及扭角分布，选择翼型SG6050进行计算，其设计参数在软件Profili数据库中可以直接导出[3]，其操作步骤为： Airfoils management—SG6050—Export—Export selected airfoil to a.TXT file. 即可导出翼型尺寸如图2：
　　三、总结
　　本文主要阐述了，在风机功率额定以及周边环境风速确定的情况下，如何正确取用各类参数，以及对叶片的初始外形以及翼型进行计算与确定，在确定了各项参数后，使用MATLAB对对应弦长处的扭角尺寸进行了计算。
　　参考文献
　　[1] 崔晓伟.风力发电机叶片疲劳试验机的仿真研究与设计[D].华东理工大学，2014.
　　[2] 李德源，叶枝全，陈严，包能胜.风力机玻璃钢叶片疲劳寿命分析[J].太阳能学报，2004，05：592-598.
　　[3] 张石强.风力机专用翼型及叶片关键设计理论研究[D].重庆大学，2010
　　[4] 陈进.风力机翼型及叶片优化设计理论[M].北京：科学出版社.2013
　　作者简介
　　张轶（1986—），男，甘肃兰州人，西南石油大学工程热物理专业2012级在读硕士研究生，主要研究方向为风力叶片建模理论。