[发明专利]一种基于力学模型的圆弧翼型叶片受力计算方法

说明书

技术领域

本发明属于风力机动力特性技术领域，具体涉及一种基于力学模型的圆弧翼型叶片受力计算方法。

背景技术

风力机等叶轮机械的效率主要是由叶片决定的，而叶片翼型作为叶片的基本要素，其动力性能的好坏直接影响到风力机对风能利用效率的高低。因此，叶片的升力、阻力和升阻比的计算和研究具有重要的意义。

国内外对叶片受力研究主要方法有试验测试、理论分析、CFD数值计算。试验测试对于研究叶片受力虽然有很高的价值，但是受制于试验条件、经费等条件，实施难度较大。CFD数值计算具有较强的任意性和灵活性，不受时间、空间、条件等的限制，但是缺乏统一可信的测量尺度，且容易受预先设计的结果影响，主观性较强，同时又过于依赖物理数学条件的设定，网格划分技术的局限，研究叶片受力的准确性不够等。

目前理论分析计算叶片受力的方法，比较常用且有深入研究的主要为动量-叶素理论，动量-叶素理论计算量小，但由于其过于简化，使受力计算的准确性受到影响。其他用于研究叶片受力的理论方法同样也有诸多缺陷，并不能准确计算叶片受力，尤其是非定常受力，而研究叶片非定常受力更有实际工程意义。

因此探讨更实用更准确的研究叶片受力及动力特性研究的方法具有现实意义。力学模型是理论研究叶片动力特性的重要方法，利用力学模型从理论角度研究叶片受力具有现实可行性，可以弥补叶片受力研究的不足，对于提高风力机风能利用效率及叶片寿命，具有积极意义。

长久以来，国内外在力学模型领域的研究主要集中在航空发动机、汽轮机叶片上，利用力学模型来研究风力机等叶片非定常受力已经有一些初步成果，但研究仍存在很多不足，现有的研究仍是以定常为主，非定常计算较少，且现有的非定常研究很多都是非连续时间域的。由于叶片有一定的扭曲度，直接建模难度较大，需要对叶片做适当的简化，逐步深入研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于力学模型的圆弧翼型叶片受力计算方法，既可以研究叶片的定常的动力特性，又可以研究叶片的非定常的动力特性，从而可以使得叶片动力特性计算准确。

本发明所采用的技术方案是，一种基于力学模型的圆弧翼型叶片受力计算方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、为拱高为h、半弦长为b的圆弧翼型叶片建立二维圆弧翼型叶片力学模型；

步骤2、在步骤1建立的力学模型中计算圆弧翼型叶片总的升力L为：

其中，L_NC为圆弧翼型叶片无环量部分的升力，L_Ci为圆弧翼型叶片环量部分的升力，L_S为圆弧翼型叶片边缘吸力的升力；

在步骤1建立的力学模型中计算圆弧翼型叶片总的阻力D为：

其中，D_NC为圆弧翼型叶片无环量部分的阻力，D_Ci为圆弧翼型叶片环量部分的阻力，D_S为圆弧翼型叶片边缘吸力的阻力。

本发明的特点还在于，

步骤1中二维圆弧翼型叶片力学模型的建立方法为：在同一平面建立惯性坐标系O-XZ和局部坐标系o-xz，局部坐标系o-xz的x轴设置在圆弧的弦线上，圆弧的弦线的中点为局部坐标系o-xz的原点o，惯性坐标系O-XZ的X轴的负半轴和局部坐标系o-xz的x轴的负半轴相交于点A，点A距局部坐标系o-xz的原点o和惯性坐标系O-XZ的原点O的距离均为ab，a为系数。

步骤2中圆弧翼型叶片无环量部分的升力L_NC为：

L_NC＝N_NCcosα，

其中，N_NC为圆弧翼型叶片无环量部分的法向力：

圆弧翼型叶片无环量部分的阻力D_NC为：

D_NC＝N_NCsinα，

其中，α为攻角，该攻角为圆弧弦线与惯性坐标系O-XZ的X轴的负半轴的夹角，为攻角速度，为攻角加速度；ρ是流体密度；U为圆弧翼型叶片在惯性坐标系O-XZ中X轴的正半轴方向的速度，V为圆弧翼型叶片在惯性坐标系O-XZ中Z轴的正半轴方向的速度，采用儒可夫斯基保角变换将ξ平面的圆弧转换到η平面的圆，

圆弧翼型叶片环量部分的升力L_Ci为：

L_Ci＝N_Cicosα，