风力机结冰翼型的气动性能分析及优化设计

摘要

近年来,水平轴风力机越来越受到关注并快速发展起来,但安装在寒冷地区时,风力机叶片表面在冬季会产生结冰现象。风轮叶片是风力发电机中最核心、最基础的部件,而叶片翼型也是最重要的几何特征,是决定风力机功率特性和载荷特性的根本因素。当翼型结冰过后,翼型气动性能将会降低,从而影响风力机的发电效率。由此可见,对翼型结冰外形的预测、结冰翼型的气动性能分析以及结冰条件下的翼型优化设计,就显得尤其重要。
　　在国家高新技术发展计划资助项目(863计划,2012AA051301)和国家自然科学基金资助项目(51175526)的资助下,本文提出了“风力机结冰翼型的气动性能分析及优化设计”的研究课题。针对风力机翼型结冰的情况,采用RFOIL软件和计算流体力学(Computational fluid dynamics, CFD)方法,对结冰翼型的气动性能进行了对比分析,并在典型霜冰条件下,提出了结冰条件下的风力机翼型设计方法,同时根据该方法设计出一种厚度为18％的翼型,然后用CFD方法对该翼型的气动性能进行了验证。论文完成的主要研究工作和取得的研究成果主要有:
　　①对目前国内、外风力机翼型结冰问题的研究现状以及风力机专用翼型的研究现状进行了详细的总结,并针对风力机专用翼型,阐述了翼型的几何参数、翼型的设计方法以及翼型气动性能的预测方式等,为后续风力机翼型结冰问题的研究奠定了良好的基础。
　　②研究了翼型结冰的机理以及影响翼型结冰的因素,并对结冰的类型进行了归类总结。采用翼型结冰数值模拟软件分别对霜冰和光冰两种工况分别进行模拟,并对结冰翼型的气动性能进行研究,结果表明,当翼型结有霜冰时,升力系数变化不大,在主攻角范围内,升阻比有一定程度的下降;当翼型结有光冰时,升力系数下降,阻力系数增大,在所有计算攻角内,升阻比大幅度降低,对风力机叶片翼型的气动性能造成了严重的影响。
　　③基于儒可夫斯基变换理论的翼型表达方法,提出了典型霜冰条件下风力机翼型的优化设计方法,并在霜冰条件下优化设计出一种新翼型ICE180,并采用CFD方法对其气动性能进行验证,研究结果表明,相对于翼型 WT180,翼型 ICE180既保持了无结冰条件下的气动性能,又在主攻角范围内,大幅提高了霜冰条件下气动性能,且翼型前缘结冰厚度较原始翼型更小。