风力机翼型通用型线理论及叶片形状优化研究

摘要

风电技术是集空气动力学、材料力学、工艺制造学、气象学、电机学、自动控制学、电力传输、保护与控制等多学科于一体的综合性技术，经过近一个世纪的发展，已迅速成为初具规模的新兴产业，市场潜力非常巨大。中国风力发电发展了20多年，风力发电量仅占全国电力总量的极少部分，国内风电发展水平明显滞后欧美发达国家。按照国家规划，未来10年我国风电装机容量年增长率将保持在40％以上。叶片作为风力机中最关键的部件之一，对其开展创新性的研究工作，设计研究出新型、高效的翼型以及叶片就显得尤为必要。
　　 在国家自然科学基金项目(编号：50775227)和重庆市自然科学基金重点项目(编号：CSTC，2008BC3029)资助下，本文提出了“风力机翼型通用型线理论及叶片形状优化研究”的研究课题。在综合国际国内相关研究的基础上，对表征风力机翼型型线本质特征的根本因素—翼型型线的函数表达式构成方式以及叶片的形状进行了创新性研究。从翼型型线出发，集成现有翼型的共有特性，提出了翼型的通用表达式，设计出了性能优越的风力机翼型。从叶片的形状和结构特性出发，以叶片形状参数为变量，优化设计出了高效的风力机叶片。论文完成的主要研究工作和取得的研究成果主要有：
　　 1)在叶片翼型的研究中，提出了翼型型线的集成设计理论和方法，研究了保角变换理论及其在翼型设计过程中的应用，引入了级数思想，推导出了能够广泛应用的翼型集成的级数表达形式，构造出了三种典型的翼型曲线，最后对常用的翼型进行了集成表达，并比较分析了级数项对翼型形状的影响，验证了函数表达方程的集成性和通用性。
　　 2)研究了风力机翼型周围流场的变化规律，对翼型的空气动力学特性参数：压强分布系数、升力系数、阻力系数以及俯仰力矩系数等进行了理论计算分析。并对翼型的静态失速、动态失速以及表面粗糙度敏感度等现象进行了研究，探讨了翼型各气动特性参数和翼型入流攻角之间的变化关系。在原程序基础上，应用FORTRAN汇编语言对XFOIL软件进行了二次开发，实现了翼型气动性能的自动运行计算。
　　 3)针对提出的翼型型线函数表征式，将翼型的参数化优化转变成函数化优化，比起传统的反设计方法，提出了一种更为全局性的直接、高效的全新翼型优化设计方法。以翼型的升阻比为目标，以翼型表征式的系数为设计变量，建立了翼型的优化设计模型，设计得到了性能较为优越的翼型。在相同雷诺数和相对厚度下，对优化翼型和工业中的现有翼型进行了性能计算比较。同时分别研究了翼型在紊流和湍流下压强，升力以及阻力的变化关系。
　　 4)研究了风力机的动量叶素理论，对比分析了目前已有的风轮叶尖损失因子修正模型。基于传统的风力机空气动力学以及Shen叶尖损失因子修正模型推导给出了新的风力机轴向因子和周向因子的计算模型，应用该模型对欧盟实验项目(MEXICO)的风轮进行了计算，给出了该风轮的诱导因子、法向力系数、切向力系数以及输出功率等空气动力学特性。为了进一步验证该模型的可靠性，将该风轮的理论计算结果和实验数据进行了比较，结果的吻合证明了该模型的准确性。
　　 5)针对风力机叶片，建立其结构动力学方程，推导分析了叶片旋转所产生的振动速度及其对来流的影响。基于BEM(Blade Element Momentum)理论，在风力机空气动力学基础上，建立了风力机的气动耦合分析模型。分析计算叶片在额定工作风速下的振动变形、速度、加速度以及叶片沿展向的变形和载荷分布。充分考虑叶片的结构振动特性与来流风速的耦合效应，使得风力机空气动力学特性模型变得更加准确。
　　 6)在风力机优化设计过程中，考虑了法向力和切向力的叶尖损失，建立了风力机叶片的空气动力学模型，探讨了风力机成本和输出能量之间的关系，建立了风力机单位输出能量成本的数学模型，以其为优化设计目标，以叶片的形状参数弦长、扭角和相对厚度为优化设计变量，提出了叶片的优化设计数学模型。完成风力机叶片的优化设计，并对优化结果进行了比较分析，验证了优化叶片的工作性能。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2研究背景

1.3本论文研究目的和意义

1.3.1本文的研究目的

1.3.2本文的研究意义

1.4国内外研究现状分析

1.4.1风力机翼型设计的理论研究

1.4.2风力机叶片优化设计方法研究

1.5本文课题来源和选题背景

1.6本文的研究内容

1.7本文研究的创新点和技术路线

1.8本章小结

2风力机翼型型线几何理论研究

2.1引言

2.2翼型几何参数

2.3翼型变换理论

2.3.1保角变换

2.3.2儒可夫斯基翼型变换

2.3.3西奥道生法

2.4通用翼型的集成表达理论

2.5集成典型型线分析

2.5.1 Ⅰ型型线

2.5.2 Ⅱ型型线

2.5.3 Ⅲ型型线

2.6翼型集成型线通用性

2.7本章小结

3风力机翼型空气动力学特性研究

3.1引言

3.2边界层

3.3翼型空气动力学特性参数

3.3.1雷诺数

3.3.2翼面压强系数

3.3.3升力系数

3.3.4阻力系数

3.3.5俯仰力矩系数

3.4翼型的失速

3.5翼型表面粗糙度

3.6翼型的气动性能分析

3.6.1 XFOIL介绍

3.6.2翼型的气动性能参数计算分析

3.6.3翼型特性随雷诺数的变化

3.7基于XFOIL的翼型气动特性计算程序的二次开发

3.8本章小结

4风力机翼型集成型线参数设计及形状优化

4.1引言

4.2 MATLAB及其优化设计方法

4.3风力机翼型的集成优化设计

4.3.1优化设计目标函数

4.3.2优化设计变量

4.3.3优化设计约束条件

4.3.4优化设计结果

4.4优化翼型的粗糙敏感度研究

4.5优化翼型性能的比较分析

4.6本章小结

5风力机空气动力学以及风轮叶尖修正理论研究

5.1引言

5.2风力机叶片空气动力学

5.2.1动量理论

5.2.2叶素理论

5.2.3动量—叶素理论

5.3风轮叶尖损失修正模塑

5.3.1 Glarent修正模型

5.3.2 Wilson和Lissaman修正模型

5.3.3 De Vries修正模型

5.3.4 Shen修正模型

5.4基于Shen叶尖损失修正模型的风轮空气动力学模型

5.5实验验证

5.6本章小节

6风力机叶片气动弹性耦合分析

6.1引言

6.2风力机叶片结构动力学模型

6.3坐标转换

6.4风载荷模型

6.4.1正常风

6.4.2极端风

6.5结果验证

6.6算例分析

6.7本章小结

7风力机叶片的形状优化设计

7.1引言

7.2风轮叶片的优化模型

7.2.1优化设计目标函数

7.2.2优化设计变量及其约束

7.2.3优化设计程序和方法

7.3优化结果

7.3.1某2MW风轮优化设计

7.3.2某5MW风轮优化设计

7.4优化前后风轮性能比较

7.4.1某2MW优化风轮性能比较分析

7.4.2某5MW优化风轮性能比较分析

7.5本章小结

8结论与展望

致 谢

参考文献

附 录