風(fēng)力機(jī)翼型通用型線理論及葉片形狀優(yōu)化研究.pdf

1、風(fēng)電技術(shù)是集空氣動(dòng)力學(xué)、材料力學(xué)、工藝制造學(xué)、氣象學(xué)、電機(jī)學(xué)、自動(dòng)控制學(xué)、電力傳輸、保護(hù)與控制等多學(xué)科于一體的綜合性技術(shù)，經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已迅速成為初具規(guī)模的新興產(chǎn)業(yè)，市場(chǎng)潛力非常巨大。中國(guó)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展了20多年，風(fēng)力發(fā)電量?jī)H占全國(guó)電力總量的極少部分，國(guó)內(nèi)風(fēng)電發(fā)展水平明顯滯后歐美發(fā)達(dá)國(guó)家。按照國(guó)家規(guī)劃，未來(lái)10年我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量年增長(zhǎng)率將保持在40％以上。葉片作為風(fēng)力機(jī)中最關(guān)鍵的部件之一，對(duì)其開(kāi)展創(chuàng)新性的研究工作，設(shè)計(jì)研究出新型、

2、高效的翼型以及葉片就顯得尤為必要。
　　 在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：50775227)和重慶市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(編號(hào)：CSTC，2008BC3029)資助下，本文提出了“風(fēng)力機(jī)翼型通用型線理論及葉片形狀優(yōu)化研究”的研究課題。在綜合國(guó)際國(guó)內(nèi)相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)表征風(fēng)力機(jī)翼型型線本質(zhì)特征的根本因素—翼型型線的函數(shù)表達(dá)式構(gòu)成方式以及葉片的形狀進(jìn)行了創(chuàng)新性研究。從翼型型線出發(fā)，集成現(xiàn)有翼型的共有特性，提出了翼型的通用表達(dá)式，設(shè)計(jì)

3、出了性能優(yōu)越的風(fēng)力機(jī)翼型。從葉片的形狀和結(jié)構(gòu)特性出發(fā)，以葉片形狀參數(shù)為變量，優(yōu)化設(shè)計(jì)出了高效的風(fēng)力機(jī)葉片。論文完成的主要研究工作和取得的研究成果主要有：
　　 1)在葉片翼型的研究中，提出了翼型型線的集成設(shè)計(jì)理論和方法，研究了保角變換理論及其在翼型設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用，引入了級(jí)數(shù)思想，推導(dǎo)出了能夠廣泛應(yīng)用的翼型集成的級(jí)數(shù)表達(dá)形式，構(gòu)造出了三種典型的翼型曲線，最后對(duì)常用的翼型進(jìn)行了集成表達(dá)，并比較分析了級(jí)數(shù)項(xiàng)對(duì)翼型形狀的影響，驗(yàn)證了函

4、數(shù)表達(dá)方程的集成性和通用性。
　　 2)研究了風(fēng)力機(jī)翼型周?chē)鲌?chǎng)的變化規(guī)律，對(duì)翼型的空氣動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)：壓強(qiáng)分布系數(shù)、升力系數(shù)、阻力系數(shù)以及俯仰力矩系數(shù)等進(jìn)行了理論計(jì)算分析。并對(duì)翼型的靜態(tài)失速、動(dòng)態(tài)失速以及表面粗糙度敏感度等現(xiàn)象進(jìn)行了研究，探討了翼型各氣動(dòng)特性參數(shù)和翼型入流攻角之間的變化關(guān)系。在原程序基礎(chǔ)上，應(yīng)用FORTRAN匯編語(yǔ)言對(duì)XFOIL軟件進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了翼型氣動(dòng)性能的自動(dòng)運(yùn)行計(jì)算。
　　 3)針對(duì)提出的

5、翼型型線函數(shù)表征式，將翼型的參數(shù)化優(yōu)化轉(zhuǎn)變成函數(shù)化優(yōu)化，比起傳統(tǒng)的反設(shè)計(jì)方法，提出了一種更為全局性的直接、高效的全新翼型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。以翼型的升阻比為目標(biāo)，以翼型表征式的系數(shù)為設(shè)計(jì)變量，建立了翼型的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，設(shè)計(jì)得到了性能較為優(yōu)越的翼型。在相同雷諾數(shù)和相對(duì)厚度下，對(duì)優(yōu)化翼型和工業(yè)中的現(xiàn)有翼型進(jìn)行了性能計(jì)算比較。同時(shí)分別研究了翼型在紊流和湍流下壓強(qiáng)，升力以及阻力的變化關(guān)系。
　　 4)研究了風(fēng)力機(jī)的動(dòng)量葉素理論，對(duì)比分析了目前

6、已有的風(fēng)輪葉尖損失因子修正模型。基于傳統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)以及Shen葉尖損失因子修正模型推導(dǎo)給出了新的風(fēng)力機(jī)軸向因子和周向因子的計(jì)算模型，應(yīng)用該模型對(duì)歐盟實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(MEXICO)的風(fēng)輪進(jìn)行了計(jì)算，給出了該風(fēng)輪的誘導(dǎo)因子、法向力系數(shù)、切向力系數(shù)以及輸出功率等空氣動(dòng)力學(xué)特性。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該模型的可靠性，將該風(fēng)輪的理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，結(jié)果的吻合證明了該模型的準(zhǔn)確性。
　　 5)針對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片，建立其結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程，推

7、導(dǎo)分析了葉片旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的振動(dòng)速度及其對(duì)來(lái)流的影響?；贐EM(Blade Element Momentum)理論，在風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上，建立了風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)耦合分析模型。分析計(jì)算葉片在額定工作風(fēng)速下的振動(dòng)變形、速度、加速度以及葉片沿展向的變形和載荷分布。充分考慮葉片的結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性與來(lái)流風(fēng)速的耦合效應(yīng)，使得風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)特性模型變得更加準(zhǔn)確。
　　 6)在風(fēng)力機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮了法向力和切向力的葉尖損失，建立了風(fēng)力機(jī)葉片的