大型海上风力机叶片气动与结构设计研究

摘要

环境友好地发展是全人类的共同使命，全球气候变暖以及能源危机促使增加可再生能源比率成为全世界的共识。中国政府承诺非石化能源占总能源消耗的比例在2030年达到20％，中国有望在2020年成为全球海上风电利用第一大国。风力机整机最基础的部件是叶片，它决定整机功率系数和设计载荷等关键参数。然而，随着风力机朝着大型化和海上发展，叶片的尺寸越来越大，其精确气动计算、气动外形和结构设计都面临新的挑战。
　　本文在国家自然科学基金项目“基于参数化的风力机叶片气动性能与结构一体化设计理论”（编号：51175526）、国家高技术研究发展计划（863计划）“先进风力机翼型族设计技术研究”（编号：2012AA051301）、中国国家留学基金委的资助下，同时在丹麦战略研究委员会“OffWindChina”项目（编号：0603-00506B）的帮助下，针对“大型海上风力机叶片气动与结构设计研究”这一课题做了相关研究。基于大型海上风力机叶片的特点，分别为2MW和5MW海上风力机叶片的主要功率产生区设计了新翼型；开发了高精度叶片气动性能计算理论模型，并与MEXICO风力机风洞实验进行对比；基于新开发的气动模型，对5MW风力机叶片的气动外形进行设计；基于新气动外形和中国某地海上风资源状况，对5MW风力机叶片的结构进行优化设计。论文完成的主要研究工作和取得的相关研究成果有：
　　①首先，根据典型2MW风力机叶片的雷诺数要求及海上风场的光滑翼面条件，基于翼型集成表达理论和CFD工具，采用改进的遗传算法对相对厚度为18%的翼型进行优化设计。编程集成ICEM和FLUENT，并完成翼型生成、大变形网格重构、边界条件生成和流场解算。结果表明本平台设计的翼型在设计、非设计工况下以及主要攻角范围内有较高升力系数和升阻比。其次，根据5 MW风力机叶片的实际雷诺数条件、实际符合材料铺层布置以及海上风场的低粗糙度敏感性要求，基于经典层合板理论对翼型的气动性能和结构强度进行一体化优化设计。优化目标除了追求高升力系数和高升阻比以外，还考虑了翼型失速后升力系数的下降平缓度的要求，而后者对于叶片疲劳寿命影响重大，也是常用商用风力机翼型的隐含特点。新翼型的升力系数高、升阻比大、失速后升力系数平稳、结构性能良好，为设计气动性能好、结构强度高的大型海上风力机叶片打好基础。
　　②叶素动量（Blade Element Momentum,BEM）理论被广泛应用于风力机的气动性能预测和优化设计中。不动点迭代法是求解BEM方程最常用的方法。然而有时迭代求解不能收敛于物理解，尤其靠近叶尖和叶根部位的不收敛概率非常高。导致气动计算和优化设计的稳定性和精度被大大降低，此不利结果在大型风力机叶片上会被放大。通过理论分析和数值测试探索了导致不收敛现象的内部机理。当初始入流角被设定为大于临界入流角，且采用松弛因子策略时，迭代计算的收敛能力会有很大提高。并且对由不同的局部速比、局部实度、局部扭角和翼型组合而成的一系列算例进行了计算测试。结果表明改进的不动点迭代法有很好的收敛能力，提高了大型叶片气动和结构设计的稳定性。
　　③传统BEM理论的计算精度并不是非常高，其通常会低估叶片叶根处的受力且高估叶尖处的受力，进而降低气动计算和优化设计的可靠性。对于大型风力机的超长叶片而言，传统BEM理论的缺陷会被放大，为叶片设计带来较大误差。为了给大型风力机叶片设计提供精确地气动计算工具，本文开发了一种新的叶素动量理论，其在动量理论中考虑了由尾流旋转引起的压力降低和风轮气动盘处的径向速度的影响。因此，风轮气动盘处的轴向诱导因子不是无限远尾流处的一半。新的叶素动量理论考虑了Glauert叶尖损失模型和Shen叶尖损失模型。通过对MEXICO实验风力机做计算测试，发现新BEM理论得到了比传统BEM理论更好的结果，尤其是在叶尖附近改善更为明显，这为大型海上风力机叶片的精确设计提供了坚实基础。
　　④基于新开发的BEM模型，运用改进的粒子群算法对大型5MW风力机叶片的扭角分布进行优化设计。结果表明，优化后风轮的功率系数得到了提高，同时也验证了新设计翼型的优良气动性能。优化后叶片的最大扭角减小了，扭角沿径向的变化率降低了，这对大型风力机叶片的加工和制造是有利的。总之，此外形优化为后续的叶片结构设计提供了优良的气动外形。
　　⑤基于优化的叶片外形，建立复合材料风力机叶片参数化有限元模型。针对中国东南沿海的某海上风场，对大型5MW海上风力机叶片的极限载荷进行计算。并以叶片质量最小为目标，对叶片进行结构优化设计。优化后的叶片在满足强度、刚度条件的前提下，实现了质量的降低，为5MW及以上大型海上风力机的设计提供参考。

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.3 本文课题来源和选题背景

1.4 本文的研究内容

1.5 本文研究的创新点和技术路线

1.6 本章小结

2 大型海上风力机翼型优化设计

2.1 引言

2.2基于通用型线和CFD的风力机翼型优化设计

2.3 翼型气动结构一体化优化设计

2.4 本章小结

3 大型海上风力机气动性能计算——叶素动量理论之改进

3.1 引言

3.2 经典叶素动量计算方法的收敛性能分析与改进

3.3 新型叶素动量理论

3.4 本章小结

4 风力机叶片气动性能数值模拟和5 MW叶片外形优化设计

4.1 引言

4.2 风力机叶片气动性能数值模拟与分析

4.3 风力机叶片气动外形优化

4.4 本章小结

5 针对中国海上风场的5 MW风力机叶片结构优化设计

5.1 引言

5.2 中国海上风场风资源以及叶片设计载荷计算

5.3叶片结构优化设计

5.4 本章小结

6 结论与展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目