大型水平轴风力机叶片气动优化设计及气动载荷分析

摘要

风能作为一种重要的清洁可再生能源，已得到世界各国的广泛重视。水平轴风力机是现代大型风电机组的主流机型。随着风电机组的容量和叶片尺寸的不断增大，叶片外形和结构更加复杂，使叶片设计技术显得尤为重要。在此背景下，本论文针对风力机叶片气动设计及气动载荷展开研究。主要研究包括:
　　 (1)依据有限叶片数的漩涡气动模型，建立一种确定水平轴风力机风轮气动性能的计算方法，对该计算方法中出现的环量分布的积分—微分方程，采用牛顿插值数组化的数值解法，利用MATLAB编制计算程序，并将计算的气动性能参数与传统的计算方法计算结果进行对比分析，结果显示本气动性能计算方法的有效性，为风力机叶片优化设计奠定基础;
　　 (2)对定桨距风力机叶片气动外形进行优化设计，在变环量气动计算理论的基础上，采用不恒定设计攻角处理，根据相对叶片的真实来流速度，考虑风场风速的概率分布，建立以年发电量最大为设计目标，叶片弦长和扭角为设计变量的优化设计数学模型，利用改进的粒子群算法对1.3MW定桨距风力机叶片进行气动外形优化设计。通过与同功率的风力机叶片比较可得出:两种叶片的弦长、扭角、相对厚度等外形参数分布基本一致，优化设计叶片组成的风力机具有更好的气动性能。而且，本文采用的改进的粒子群算法保证了设计结果为全局最优解;
　　 (3)针对风力机上最复杂的载荷源—气动载荷，进行分析计算。首先采用修正的条带理论对稳定均匀气流作用于垂直风轮盘面情况下的气动载荷进行计算，提出一种考虑尾涡影响的叶片气动载荷计算方法，并在同样工况下比较两种方法的计算结果，得出两种计算方法所得曲线趋于一致的结论，说明了本文提出的气动载荷计算方法的正确性;然后提出考虑风力机几何条件的一种水平轴风力机叶片气动载荷计算方法，并分析出不同的影响因素所产生的效果;最后提出了考虑入流条件的水平轴风力机叶片气动载荷计算模型，并给出在风剪切和塔影效应作用下的风速及气动载荷变化情况，得出在对水平轴风力机叶片气动载荷分析时，应该考虑偏航角、锥度角、桨距角及不同风的状态，例如风剪切、塔影效应等综合影响的结论，为风轮结构设计提供依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 开发风力发电研究的背景

1．2 国内外风电开发状况与趋势

1．2．1 国外风电发展状况和趋势

1．2．2 国内风电发展状况和趋势

1．3 国内外风力机叶片相关技术发展状况

1．3．1 风力机气动性能计算发展状况

1．3．2 叶片载荷分析发展状况

1．3．3 叶片气动优化设计发展状况

1．4 主要研究内容

第2章 风力机空气动力学理论综述

2．1 风电场中风速的研究

2．1．1 风速在风力机设计中的重要性

2．1．2 风速分布的数学表达式

2．1．3 风力机特征风速的推导

2．2 风力机空气动力学基础理论简介

2．2．1 贝茨理论

2．2．2 动量理论

2．2．3 叶素理论

2．2．4 涡流理论

2．3 风力机风轮空气动力学计算理论

2．3．1 Glauert圆盘理论及计算方法

2．3．2 条带理论及计算方法

2．3．3 风轮气动计算的CFD方法

2．4 本章小结

第3章 水平轴风力机风轮气动性能计算

3．1 基于改进的圆盘理论的气动性能计算

3．1．1 风轮的气动性能计算

3．1．2 叶片径向环量分布

3．1．3 漩涡系统诱导速度

3．2 环量的积分-微分方程的数值解法

3．3 环量的牛顿插值数组化运算数值解法

3．3．1 牛顿插值数组化运算数值解法

3．3．2 牛顿插值数组化运算数值解法的程序实现

3．4 算例及分析

3．4．1 计算范例

3．4．2 结果分析

3．5 本章小结

第4章 水平轴风力机叶片气动外形优化设计

4．1 优化设计方法

4．1．1 传统优化设计方法局限性

4．1．2 定桨距风力机优化目标

4．2 改进的粒子群算法

4．2．1 粒子群优化算法

4．2．2 改进的粒子群优化算法

4．3 叶片气动优化设计的数学模型

4．3．1 目标函数

4．3．2 设计变量

4．3．3 约束条件

4．4 优化设计编程实现

4．5 计算实例及分析

4．5．1 设计参数

4．5．2 设计结果

4．5．3 结果分析

4．6 本章小结

第5章 水平轴风力机叶片气动载荷分析

5．1 水平轴风力机叶片气动载荷计算分析

5．1．1 坐标系统确定

5．1．2 基于条带理论的气动载荷计算

5．1．3 基于改进的圆盘理论的气动载荷计算

5．1．4 实例比较

5．2 考虑几何条件的叶片载荷计算模型

5．2．1 简化的坐标系统

5．2．2 各坐标之间的变换

5．2．3 叶片上的速度分量

5．2．4 叶片上的气动载荷计算

5．3 不同几何条件对气动载荷分析的影响

5．3．1 偏航角变化时对推力的影响

5．3．2 桨距角变化时对推力的影响

5．3．3 方位角变化时对推力的影响

5．3．4 锥度角变化时对推力的影响

5．4 考虑入流条件的叶片载荷计算模型

5．4．1 考虑风剪切及塔影效应的风速计算模型

5．4．2 具体风速计算模型

5．4．3 考虑风速动态变化的载荷计算模型

5．4．4 计算实例分析

5．5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

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