1.引言

风力机是一种从风中吸取动能的装置。它将风的动能转为叶片的机械能，通过传动轴和齿轮箱将机械能传到发电机进而产生电能。叶片捕获能量的多少直接决定风力机的发电量，所以叶片是风力机的核心部件。叶片良好的气动外形有助于提高风能的转换效率。由于受风力机启动、运行的环境和气动特性等多重因素的影响，限制了叶片在最佳状态下运行。而叶片变截面翼型设计是将叶片沿展向分成许多个截面，每个截面分别用一种不同的翼型，每种翼型都对应着一个最佳的攻角和升阻比而每个截面均采用其翼型的最佳攻角和升阻比，所以整个叶片都有最佳的气动特性，在额定风速下保证较多的功率输出。在设计叶片时要充分考虑叶片的加工制造及美观，翼型的扭角和弦长沿叶片的展向从根部到叶尖渐缩，翼型的相对厚度和弯度沿展向也要呈逐渐变小趋势布置，使叶片表面尽量光滑不影响气动性能。目前，在国内对于小型风力机的设计，普遍采用Glauert 方法和Wilson 方法。然而用这些气动理论得出的扭角和弦长沿叶片展向分布是不规律的，加大了制造的难度、叶片的载荷分布不均匀影响叶片的使用寿命，同时也加大了叶片的制造成本。考虑到这些通常需要对弦长和扭角进行修正，一般以最大弦长处为起点，弦长分别向叶片的顶部和根部弦长呈线性分布，扭角向叶片的顶部呈线性分布。这样经过修正后的弦长和扭角已经偏离了设计点，需要重新对叶片的气动性能进行计算，以便估算叶片的功率输出。

2.叶片的气动外形设计

目前风力机的设计有多种模型，具有代表性的是基于贝兹理论的简化设计模型，它假设风力机按照贝兹理论的最佳条件运行，不考虑叶片的涡流分布和影响，其设计精度较差;基于涡流理论的Schmitz设计模型、葛劳渥(Glauert)设计模型和Wilson设计模型。Schmitz设计模型考虑了风力机周向涡流损失;葛劳渥设计模型考虑了风轮后涡流流动的叶素理论，引入了轴向诱导因子a和切向诱导因子b;Wilson设计模型以葛劳渥(Glauert)设计模型为基础作了改进，考虑了叶尖损失和升阻比对叶片剖面最佳性能的影响，并研究了风轮在非设计工况下的性能。基于上述分析本文采用Wilson方法设计叶片。

2.1 叶片数的确定

选择风轮叶片数时要考虑风力机性能和载荷、风轮和传动系统的成本、风力机的气动噪声及景观效果等因数。目前，水平轴风力机一般是采用2叶片或3叶片，其中3叶片占多数。两叶片风轮和三叶片的风轮的最大功率系数基本相同，但两叶片风轮最大功率系数对应的叶尖速比要高;当风轮直径和风轮旋转速度相同时，对刚性轮毂来说，作用在两叶片风轮的脉动载荷要大于三叶片风轮，在实际运行时两叶片风轮的旋转速度要大于三叶片风轮，这样对叶片空气动力噪声控制不利。本文选取3叶片。

2.2 变截面翼型的选择

变截面翼型的选择是指不同截面翼型沿叶片展向的分布。目前用于风力机的翼型有两类：一类是航空翼型和它的修型;另一类是风力机专用翼型。航空翼型在较低的雷诺数下运行时(一般在 量级)，当迎角不大时翼型边界层的分离点与附着点之间形成“气泡”产生分离。专门的风力机翼型，如美国的NREL S系列、丹麦的RIS 系列、荷兰的DU系列和瑞典的FFA-W3系列等。这些翼型有较好的空气动力特性，它们的最大升力系数对表面粗糙度不敏感。根据风力机性能的要求，风力机翼型一般应要求在分离区有稳定的最大升力系数，有大的升阻比，在叶根处一般选取相对厚度较大的翼型以便承受风力机在运行时的应力，并且能实现和叶片根部的光滑过度。一般在风力机叶片约75%展长的剖面附近是主要产生功率的中心区域，因此该处到叶尖的范围应具有相对较高的升阻比，表面粗糙度对翼型失速的影响小，并且有足够的相对厚度，以保证结构强度和钢度。叶尖应选择较薄的翼型，以使翼型厚度从叶根到叶尖光滑过度，并具有良好的气动性能。鉴于上述分析和对已经公布的S型翼型气动数据进行计算统计，翼型沿展向的分布如下表1。

表1 叶片表截面翼型分布