大型风力机钝尾缘叶片结构与气动性能研究

摘要

近些年来，随着风电行业的不断进步，发展大型风电机组成为一种必然趋势。叶片尺寸的不断扩大，导致叶片气动与结构特性之间的矛盾日益突出，然而传统翼型在一定程度上已经无法满足现代风力机低载、轻质等设计要求。钝尾缘翼型因其出色的气动与结构特性，越来越受到国内外学者的关注与重视。为了研究钝尾缘翼型对风力机性能的影响，本文以NREL5MW风力机为对象，通过对叶片内侧翼型进行钝尾缘改进，采用理论分析与数值模拟相结合的方法研究了钝尾缘翼型应用于风力机叶片时对叶片气动与结构特性的影响，具体内容及结论如下： 首先，通过对S809翼型在划分不同网格数下的升、阻力系数计算并与实验数据对比，验证了所用模型和方法的正确性。在此基础上，对NREL5MW风力机叶片展向40%R（叶片半径）内的翼型进行对称钝尾缘改型，通过数值模拟发现，随着尾部厚度的增大，改进后翼型的升力系数逐渐提高、升阻比增大。改进后的钝尾缘翼型尾部存在一对尺寸相近的涡，使得尾缘处气流发生了下洗作用，改变了周围压力的分布，减小了吸力面尾缘处的逆压梯度，延缓了流动分离的出现，从而提高了翼型气动性能。 其次，用改进后的最佳钝尾缘翼型替换原始风力机对应翼型，得到改型后的风力机，在Fluent中采用两方程SST k-ω模型对改进后的风力机与原始风力机进行数值模拟，通过对比得到：各计算工况下，改进风力机的功率均高于原始风力机功率；随着风速的增大，改进风力机的优势逐渐扩大，然而叶片的轴向力也出现了升高。通过流场分析对比发现，两类叶片根部均发生了流动分离，且出现了二次流，但是改进叶片的分离程度要明显低于原始叶片的分离程度，并且在分离区内，改进叶片的流线分布比原始叶片紊乱。 然后，针对尖尾缘叶片与钝尾缘叶片设计了递减铺层方案，在ANSYS Mechanical中建立了有限元模型，采用单向流固耦合方法，对尖、钝尾缘叶片施加不同载荷情况下的结构性能进行分析对比。研究得到：相比于原始叶片，改进后的钝尾缘叶片的叶尖位移与总应力均出现了减小；改进叶片离心力刚化效应的增益效果要高于原始叶片。通过模态分析得到，采用钝尾缘翼型后，叶片的低阶模态起到了较好的增益，从而能够更好的避免共振的发生。 最后，对影响钝叶片结构性能的因素——梁帽参数进行了研究，发现在梁帽的所有参数中，梁帽厚度对结构的影响最大，而铺层角度顺序对结构的影响最小。采用上述结论对叶片进行结构优化，减小钝尾缘翼型区梁帽宽度，增加该区域梁帽厚度，同时增加叶片根部与中部梁帽的厚度。经对比，优化后叶片的质量降低，而且结构性能得到了提升。 本文通过对NREL5MW风力机叶片40%R以内翼型进行钝尾缘改型，并用其替换原翼型，采用理论分析与数值模拟相结合的方法对原始风力机与改型风力机的性能进行了对比研究，得到了钝尾缘叶片气动与结构的新特性，并对钝尾缘叶片进行了结构优化，在叶片质量降低的同时提高了叶片性能，为风力机的设计与优化提供了参考。

目录

声明

第 1 章 绪 论

1.1 引言

1.2 研究意义及背景

1.3 国内外研究现状

1.3.1 钝尾缘翼型研究现状

1.3.2 风力机研究现状

1.3.3 风力机叶片结构研究现状

1.4 论文研究内容

1.5 论文创新点

第 2 章 风力机相关理论与计算方法

2.1 翼型理论

2.1.1 几何参数

2.1.2 气动参数

2.2 风力机空气动力学理论基础

2.2.1 贝兹理论

2.2.2 叶素理论

2.2.3 动量理论

2.2.4 叶素动量理论（ BEM）

2.2.5 叶尖损失和叶根损失修正

2.3 CFD 理论基础

2.3.1 流动控制方程

2.3.2 S-A 模型

2.3.3 k-ε 模型

2.3.4k-ω SST湍流模型

2.3.5 湍流模拟对网格的要求

2.4 风力机载荷

2.4.1 空气动力载荷

2.4.2 重力载荷

2.4.3 离心力载荷

2.5 小结

第 3 章 钝尾缘二维翼型气动性能研究

3.1 钝尾缘翼型改进方法

3.2 研究对象

3.3 翼型数值模拟

3.3.1 计算模型与网格划分

3.3.2 网格无关性以及准确性验证

3.4 计算结果分析

3.4.1 CL、CD分析

3.4.2 翼型流场分析

3.4.3 翼型表面压力系数 Kp分析

3.5 小结

第 4 章 5MW 风力机叶片气动性能分析

4.1 叶片建模与网格划分

4.1.1 叶片建模

4.1.2 网格与计算方法

4.2 5MW 风力机性能分析

4.2.1 计算工况

4.2.2 输出扭矩对比

4.2.3 轴向力以及力矩

4.3 计算结果分析

4.3.1 叶片极限流线

4.3.2 叶片内侧气动性能对比

4.3.3 叶片内侧截面压力系数对比 Kp

4.5 小结

第 5 章 5MW 风力机结构性能分析及优化

5.1 复合材料理论

5.1.1 复合材料分类

5.1.2 复合材料性能

5.2 叶片结构基本理论

5.2.1 经典层合板理论

5.2.2 Euler-Bernoulli 梁理论

5.2.3 模态分析理论

5.2.4 蔡-吴强度理论

5.3 ANSYS 中叶片结构建模

5.3.1 叶片建模

5.3.2 叶片铺层

5.4 单向流固耦合计算

5.5 结果分析

5.5.1 质量对比

5.5.2 应力与位移分析

5.5.3 铺层强度校核

5.5.4 模态分析

5.6 钝尾缘叶片铺层特性研究及结构优化

5.6.1 梁帽参数的影响

5.6.2 铺层改进后结构性能比较

5.7 小结

结论与展望

参 考 文 献

致谢

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