風(fēng)力發(fā)電技術(shù)課程設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程探討

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(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的動(dòng)手能力，開設(shè)了課程設(shè)計(jì)。學(xué)生通過(guò)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(guò)結(jié)合動(dòng)量葉素理論相關(guān)知識(shí)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(shí)，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(shí)指導(dǎo)設(shè)計(jì)的工作思想，加深其對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際的了解，培養(yǎng)其對(duì)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(guò)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(guò)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(shí)，學(xué)會(huì)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(guò)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(píng)級(jí)方式等，如果有必要，在任務(wù)書中要完成對(duì)班級(jí)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(duì)當(dāng)?shù)仫L(fēng)資源進(jìn)行評(píng)估和確定風(fēng)力機(jī)的額定功率，其中風(fēng)資源的評(píng)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(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)。但是，由于國(guó)內(nèi)目前的氣象數(shù)據(jù)基本上都在氣象局，而對(duì)于風(fēng)電企業(yè)來(lái)說(shuō)，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(guò)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(duì)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(zhǎng)度、葉片數(shù)、葉片沿展向的各個(gè)翼型弦長(zhǎng)、翼型扭角、葉片安裝角以及符合風(fēng)力機(jī)葉片空氣動(dòng)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(zhǎng)的方法；李偉[3]通過(guò)系統(tǒng)的比較了風(fēng)力機(jī)葉片空氣動(dòng)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(duì)葉片最佳性能的影響，因此成為國(guó)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(zhǎng)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(duì)升阻比的影響，對(duì)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(duì)翼型數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)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(duì)于分析翼型的空氣動(dòng)力性能有重要作用。獲得翼型的TXT 數(shù)據(jù)是對(duì)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(guò)渡，三維建模可以通過(guò)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(guò)計(jì)算每個(gè)截面翼型的弦長(zhǎng)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(tái)/放樣”工具，通過(guò)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(duì)葉片輪廓進(jìn)行修整，使葉片輪廓成圓滑的流線型。最后對(duì)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(guò)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(guò)程，在此過(guò)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(guò)程重要參數(shù)的選擇方法，風(fēng)力機(jī)葉素弦長(zhǎng)、扭角和翼型的計(jì)算方法，最后通過(guò)SolidWorks 等三維設(shè)計(jì)軟件完成對(duì)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(duì)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)。