低风速风力机整机气动与结构一体化设计研究

摘要

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的关注与重视。由于传统高风速风区装机容量日渐饱和，低风速风力机在近年来受到了越来越多的关注。为了在低风速风区捕获更多的风能，低风速风力机尺寸不断增加。叶片作为风力机中核心部件，其气动与结构性能的好坏直接影响风力机的年发电量以及结构稳定性。如何设计适合于低风速风区的风力机以及降低其度电成本都面临着新的挑战。　　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，针对“低风速风力机整机气动与结构一体化设计研究”这一课题进行展开。在风力机翼型参数化表达的基础上，提出一种基于泛函的尾缘厚度可变的翼型表达方法，完善了原翼型集成理论在翼型尾缘表达方面的不足；为了最大化提高叶片在低风速风况下的捕风效率，研究了翼型与叶片一体化设计方法；针对低风速风况特点，建立了湍流效应下的瞬态风模型，分析了低风速瞬态风况下叶片所受载荷与结构动态响应；基于对低风速叶片所受载荷与结构动态响应特性的分析，针对低风速叶片特点，引入气动与结构一体化设计方法，对某2.1MW低风速风力机叶片进行离散化优化设计并与原叶片进行对比；基于低风速风区风力发电成本高的特点，建立了整机度电成本模型，将叶片和塔架的几何与结构参数作为风力机整机度电成本的设计变量，以最小度电成本为目标，对某2.1MW风力机整机进行了优化设计，降低了低风速风区的发电成本，为低风速风力机设计提供理论指导。论文完成的主要研究工作和取得的研究成果主要有：　　① 首先，探讨了翼型的几何参数以及气动参数对翼型气动性能的影响，然后，提出一种新的基于泛函集成理论的尾缘厚度可变的翼型表达方法，以原有翼型参数化表达方法为基础，通过从翼型最大相对厚度位置到尾缘位置处进行厚度渐进对称处理，实现可变尾缘厚度的风力机翼型参数化表达，解决了现有集成理论在翼型尾缘厚度参数化表达方面的不足。针对三种不同厚度的 DU 系列翼型（DU00-W-212，DU97-W-300和DU00-W2-401）进行尾缘厚度变换，分析了在相同工况下，尾缘厚度对三种翼型气动性能的影响。本章为风力机翼型与叶片一体化设计提供了理论基础。　　② 为了提升风力机叶片在低风速风区的捕风效率，以某2 MW低风速风力机叶片雷诺数要求，基于修正的叶素动量理论为基础，建立了在最优功率系数下，诱导因子与局部速比计算方法。结合翼型气动特性，推导了叶片截面几何参数计算方法，将翼型设计与叶片几何外形设计耦合在一起，根据改进的粒子群算法，建立了以最大年发电量和最小弦长分布为设计目标的翼型与叶片气动外形一体化的多目标优化设计模型。优化结果表明，在III类风况下，与初始叶片相比，新叶片的年发电量有一定的提高，同时叶片弦长分布有显著的下降。表明在年发电量提高的同时，可以有效的降低叶片质量与材料成本，提高疲劳寿命并控制叶根载荷。该方法改进了传统翼型与叶片串行设计方法的局限性，为低风速叶片气动性能的提升提供了一定的参考研究价值。　　③ 基于低风速风区具有平均风速较低而湍流强度较高的特点，根据IEC61400-1标准，将Kaimal谱模型定义为随机功率谱密度并对脉动风速时程进行模拟，建立了低风速风况下的瞬态风模型，研究分析了低风速瞬态风况的特性。计算并对比了低风速叶片在稳态和瞬态风况下的气动载荷与结构动态响应。结果表明，较于稳态风况，瞬态风况下叶片叶根挥舞方向弯矩和叶尖位移波动较为剧烈，而在摆振方向弯矩和叶尖位移波动较稳态风况更为平缓。应用于低风速风区的叶片具有长度更长，展弦比高且柔性高的特点，低风速风力机叶片在设计过程中需要重点考虑提高结构刚度与降低气动载荷来保持整体结构稳定性。　　④ 基于经典层合板理论建立了风力机叶片截面结构参数计算模型，结合叶素动量理论与风力机翼型基本理论提出了一种离散化风力机叶片气动与结构一体化设计方法。根据对低风速风区强湍流风况特性以及低风速叶片结构特点的分析，结构性能方面要求叶片各截面具有更高的刚度系数以及最小的单位质量，在气动性能方面要求叶片截面能产生更大的扭矩同时受到更小的推力载荷。优化过程中集成了风力机翼型设计、叶片气动外形设计和结构铺层设计，真正实现了风力机叶片气动结构一体化设计目标。在稳态风况下，新叶片具有更高的年发电量，更小的叶尖位移与总体质量。在瞬态风况下，新叶片整体结构稳定性更好，更加适用于低风速风区。　　⑤ 建立了风力机整机度电成本模型，将叶片和塔架的几何与结构参数以及额定功率作为风力机整机度电成本的设计变量，建立了风力机整机参数化模型，以最小度电成本和最大年发电量为目标，对某 2.1MW 风力机整机进行了优化设计，降低了低风速风区的发电成本，提高了年发电量，为低风速风力机设计提供理论指导。

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.2.1 风力机翼型设计研究现状

1.2.2 风力机叶片设计研究现状

1.2.3 风力机瞬态结构响应研究现状

1.3 本文课题来源及选题背景

1.4 本文研究内容

1.5 本文研究的创新点和技术路线

1.6 本章小结

2 风力机翼型空气动力学理论与参数化表达方法

2.1 引言

2.2 风力机翼型几何参数

2.3 风力机翼型气动特性

2.4 翼型几何参数对翼型气动特性的影响

③ 最大弯度的影响

④ 表面粗糙度的影响

⑤ 雷诺数的影响

2.5 翼型气动性能预测方法

2.6 翼型参数化表达方法

2.6.1 翼型型线集成理论

2.6.2 变尾缘厚度翼型生成方法

2.6.3 钝尾缘翼型气动性能计算与分析

2.7 本章小结

3 低风速风力机翼型与叶片气动外形一体化设计方法研究

3.1 引言

3.2 风力机叶片空气动力学理论

3.2.1 动量理论

3.2.2 叶素理论

3.2.3 叶素动量理论

3.2.4 叶尖损失修正模型

3.3 翼型与叶片气动外形一体化设计方法

3.31 最优风轮的诱导因子

3.3.2 叶片截面参数计算

3.4 算例分析

3.4.1 叶片气动模型验证

3.4.2 叶片截面优化模型

3.5 一体化优化结果及对比分析

3.5.1 改进的粒子群算法

3.5.2 优化设计结果

3.6 本章小结

4 低风速湍流风况下叶片载荷计算与结构动态响应特性研究

4.1 引言

4.2 湍流风况模拟

4.2.1 平均风速

4.2.2 脉动风速

4.2.3 湍流风模型

4.3 湍流风况计算模拟

4.4 基于GH-Bladed的叶片载荷计算

4.5 风力机结构动态响应分析

4.6 本章小结

5 低风速风力机叶片气动结构一体化优化设计研究

5.1 引言

5.2 叶片截面结构性能计算

5.3 叶片优化设计算例

5.3.1 叶片气动外形

5.3.2 叶片结构参数

5.3.3 设计目标函数

5.3.4 设计变量

5.3.5 设计约束

5.4 优化结果

5.4.1 叶片截面形状优化结果

5.4.2 叶片截面气动与结构性能

5.4.3 叶片截面气动外形与结构参数对比

5.4.4 叶片气动性能与结构性能对比

5.4.5 叶片瞬态载荷对比

5.4.6 叶片结构动态响应对比

5.5 本章小结

6 基于最小度电成本的低风速风力机整机优化设计研究

6.1 引言

6.2 风力机气动与结构模型

6.2.1 气动模型与结构模型

6.2.2 风力机梁理论

6.2.3 度电成本模型

6.3 整机结构优化设计

6.3.1 优化目标

6.3.2 设计变量

6.3.3 设计约束

6.3.4 优化设计流程

6.3.5 叶片优化结果

6.4 本章小结

7 总结与展望

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

C. 学位论文数据集:

致谢