基于翼型库的风力机叶片气动外形与结构一体化设计理论研究

摘要

随着化石燃料储量的减少，人们对于能源危机的恐慌越发严重，风能作为一种清洁的可再生能源，也随之受到世界各国的关注与重视。风轮叶片作为风力发电机中最核心的部件，不光其成本占到整机价值的20％左右，其性能的好坏也直接影响风力发电机对风能的转化效率。如何准确分析风轮叶片的性能并设计出新型高效的风轮叶片，具有非常重要的理论意义和工业应用价值。
　　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”（项目编号：51175526）和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”（项目编号：2012AA051301）的资助下，本人提出了“基于翼型库的风力机叶片气动外形与结构一体化设计理论研究”的研究课题。在分析国内外风力机翼型设计方法的基础上，提出了将翼型集成理论与样条曲线结合的翼型表达方法，并在翼型的设计中考虑翼型型线对翼型气动和结构性能的影响，设计出气动性能优越，结构性能优良的翼型；深入研究气动弹性对叶片捕风性能的影响，并通过试验进行了验证；在此基础上，充分考虑叶片设计过程中，翼型、叶片气动外形和叶片结构之间的相互关系，提出了基于翼型库的风力机叶片气动外形与结构的一体化设计方法。论文完成的主要研究工作和取得的研究成果主要有：
　　①在风力机翼型的研究过程中，提出了将西奥道生理论与B样条曲线结合的翼型型线表达方法，引入了翼型结构参数的概念，在此基础上，提出了风力机专用翼型气动结构一体化设计方法。新方法以风力机翼型气动性能和结构性能同时最优为目标，运用改进的遗传算法对翼型型线进行优化设计，优化得到不同相对厚度且气动结构综合性能优良的CQU-L型风力机专用翼型族群，形成原始翼型库；
　　②以风力机空气动力学为基础，引入叶片受到气动载荷时产生的扭转变形量，建立了考虑气动弹性的风力机空气动力学模型，提出了将叶片受到的气动载荷解耦成压力函数，加载到叶片有限元模型上求解变形的流固耦合分析新方法。运用该方法，在多种风速工况下对风力机叶片进行了性能分析计算。结果表明：对于大功率的风力机，风轮受到的载荷随风速的增加而变大，相应地，叶片弹性变形也随之变大，叶片的气动外形发生明显的改变，从而影响风轮的实际性能。气动弹性对最大功率利用系数影响不大，但对处于大风速大载荷条件下的风轮性能产生明显的负面影响，降低了风轮对风能的吸收。
　　③根据现有叶片气动外形设计方法，设计出1kW风力机叶片外形，采用FRP成型技术完成1kW复合材料风力机叶片的加工制造，并完成风轮的组装；根据 GB/T18451.2-2012标准，搭建试验测试平台，利用汽车载体，对1kW风力机进行车载捕风性能测试，并将测试结果进行分析整理，与理论分析结果进行对比，从而验证“考虑气动弹性的风力机叶片分析方法”的正确性。
　　④在复合材料风力机叶片强度失效分析理论的基础上，结合风力机叶片流固耦合分析方法，以额定风速下风力机功率最优为目标，以叶片弦长、扭角为设计变量，建立了考虑气动弹性的风力机叶片设计及优化数学模型，运用遗传算法对某850kW风力机叶片进行优化设计，优化结果表明，相比参考叶片，优化后的叶片在叶片质量减小的前提下，风力机的输出功率得到提高，最高达23kW。该方法为设计出高性能轻质量低成本的风力机提供了理论依据。
　　⑤基于翼型、叶片弦长及扭角和叶片结构铺层的参数化表达，建立了完整的复合材料风力机叶片参数化有限元模型，通过对比有限元模型和某公司同等级别叶片的质量和动态特性，证实参数化建模能较准确地模拟真实叶片实际构造。基于此，以气动弹性影响下叶片输出功率最大和叶片质量最小为双目标，考虑在叶片设计时翼型形状、叶片弦长扭角及叶片结构铺层之间的相互影响，对某3MW风力机叶片进行翼型、叶片气动外形与结构的一体化设计，结果表明，优化后叶片满足强度设计要求，叶片质量得到降低，同时在气动弹性影响下的性能得到提高。此研究对风力机翼型和叶片的设计具有重要的现实意义。

目录

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目录

1 绪 论

1.1 国内外研究现状

1.2 本文课题来源和选题背景

1.3 本文的研究内容

1.4 本文研究的创新点和技术路线

1.5 本章小结

2 风力机专用翼型族群气动结构一体化设计

2.1 引言

2.2 风力机翼型基本理论

2.3 翼型结构参数计算

2.4 翼型型线集成理论

2.5 翼型型线优化模型

2.6 翼型族群气动结构一体化优化结果及对比分析

2.7 本章小结

3 气动弹性对风力机叶片性能的影响

3.1 引言

3.2 考虑气动弹性的风力机叶片空气动力学理论

3.3 考虑气动弹性的风力机叶片分析

3.4 本章小结

4 气动弹性对风力机叶片性能影响的试验验证

4.1 引言

4.2 测试叶片选型及设计

4.3 试验叶片试制与性能测试平台的搭建

4.4 结果分析

4.5 本章小结

5 气动弹性影响下的复合材料风力机叶片气动外形设计

5.1 引言

5.2 复合材料力学基础

5.3 考虑气动弹性的风力机叶片外形设计

5.5 本章小结

6 风力机翼型、叶片外形与结构一体化设计

6.1 引言

6.2 复合材料风力机叶片参数化有限元模型

6.3 风力机叶片气动外形和结构一体化设计模型

6.4 结果分析

6.5 本章小结

7 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