基于翼型庫的風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)外形與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)理論研究.pdf

1、隨著化石燃料儲(chǔ)量的減少，人們對(duì)于能源危機(jī)的恐慌越發(fā)嚴(yán)重，風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，也隨之受到世界各國(guó)的關(guān)注與重視。風(fēng)輪葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)中最核心的部件，不光其成本占到整機(jī)價(jià)值的20％左右，其性能的好壞也直接影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)風(fēng)能的轉(zhuǎn)化效率。如何準(zhǔn)確分析風(fēng)輪葉片的性能并設(shè)計(jì)出新型高效的風(fēng)輪葉片，具有非常重要的理論意義和工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
　　在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于參數(shù)化的風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)性能與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)理論”（項(xiàng)目編號(hào)：511

2、75526）和國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）“先進(jìn)風(fēng)力機(jī)翼型族設(shè)計(jì)技術(shù)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2012AA051301）的資助下，本人提出了“基于翼型庫的風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)外形與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)理論研究”的研究課題。在分析國(guó)內(nèi)外風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，提出了將翼型集成理論與樣條曲線結(jié)合的翼型表達(dá)方法，并在翼型的設(shè)計(jì)中考慮翼型型線對(duì)翼型氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)性能的影響，設(shè)計(jì)出氣動(dòng)性能優(yōu)越，結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良的翼型；深入研究氣動(dòng)彈性對(duì)葉片捕風(fēng)性能的影響，并通過

3、試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證；在此基礎(chǔ)上，充分考慮葉片設(shè)計(jì)過程中，翼型、葉片氣動(dòng)外形和葉片結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系，提出了基于翼型庫的風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)外形與結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)方法。論文完成的主要研究工作和取得的研究成果主要有：
　　①在風(fēng)力機(jī)翼型的研究過程中，提出了將西奧道生理論與B樣條曲線結(jié)合的翼型型線表達(dá)方法，引入了翼型結(jié)構(gòu)參數(shù)的概念，在此基礎(chǔ)上，提出了風(fēng)力機(jī)專用翼型氣動(dòng)結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)方法。新方法以風(fēng)力機(jī)翼型氣動(dòng)性能和結(jié)構(gòu)性能同時(shí)最優(yōu)為目標(biāo)，運(yùn)用改進(jìn)

4、的遺傳算法對(duì)翼型型線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化得到不同相對(duì)厚度且氣動(dòng)結(jié)構(gòu)綜合性能優(yōu)良的CQU-L型風(fēng)力機(jī)專用翼型族群，形成原始翼型庫；
　?、谝燥L(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，引入葉片受到氣動(dòng)載荷時(shí)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形量，建立了考慮氣動(dòng)彈性的風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)模型，提出了將葉片受到的氣動(dòng)載荷解耦成壓力函數(shù)，加載到葉片有限元模型上求解變形的流固耦合分析新方法。運(yùn)用該方法，在多種風(fēng)速工況下對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行了性能分析計(jì)算。結(jié)果表明：對(duì)于大功率的風(fēng)力機(jī)，風(fēng)輪受到

5、的載荷隨風(fēng)速的增加而變大，相應(yīng)地，葉片彈性變形也隨之變大，葉片的氣動(dòng)外形發(fā)生明顯的改變，從而影響風(fēng)輪的實(shí)際性能。氣動(dòng)彈性對(duì)最大功率利用系數(shù)影響不大，但對(duì)處于大風(fēng)速大載荷條件下的風(fēng)輪性能產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響，降低了風(fēng)輪對(duì)風(fēng)能的吸收。
　?、鄹鶕?jù)現(xiàn)有葉片氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出1kW風(fēng)力機(jī)葉片外形，采用FRP成型技術(shù)完成1kW復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片的加工制造，并完成風(fēng)輪的組裝；根據(jù) GB/T18451.2-2012標(biāo)準(zhǔn)，搭建試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，利

6、用汽車載體，對(duì)1kW風(fēng)力機(jī)進(jìn)行車載捕風(fēng)性能測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析整理，與理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證“考慮氣動(dòng)彈性的風(fēng)力機(jī)葉片分析方法”的正確性。
　?、茉趶?fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片強(qiáng)度失效分析理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合風(fēng)力機(jī)葉片流固耦合分析方法，以額定風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)功率最優(yōu)為目標(biāo)，以葉片弦長(zhǎng)、扭角為設(shè)計(jì)變量，建立了考慮氣動(dòng)彈性的風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)及優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用遺傳算法對(duì)某850kW風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)果表明，相比參考葉片，優(yōu)化后

7、的葉片在葉片質(zhì)量減小的前提下，風(fēng)力機(jī)的輸出功率得到提高，最高達(dá)23kW。該方法為設(shè)計(jì)出高性能輕質(zhì)量低成本的風(fēng)力機(jī)提供了理論依據(jù)。
　?、莼谝硇汀⑷~片弦長(zhǎng)及扭角和葉片結(jié)構(gòu)鋪層的參數(shù)化表達(dá)，建立了完整的復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片參數(shù)化有限元模型，通過對(duì)比有限元模型和某公司同等級(jí)別葉片的質(zhì)量和動(dòng)態(tài)特性，證實(shí)參數(shù)化建模能較準(zhǔn)確地模擬真實(shí)葉片實(shí)際構(gòu)造?；诖耍詺鈩?dòng)彈性影響下葉片輸出功率最大和葉片質(zhì)量最小為雙目標(biāo)，考慮在葉片設(shè)計(jì)時(shí)翼型形狀、葉片弦