風(fēng)力機專用翼型及葉片關(guān)鍵設(shè)計理論研究.pdf

1、風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源,越來越受到世界各國的重視,葉片是風(fēng)力機中最關(guān)鍵的部件之一,達到整機價值的20％左右,風(fēng)力機翼型及葉片沿展向的分布設(shè)計理論是決定風(fēng)力機功率特性和載荷特性的根本因素,其良好的設(shè)計、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證機組正常穩(wěn)定運行的決定因素。所以對風(fēng)力機葉片及翼型展開原創(chuàng)性的研究工作,進而形成風(fēng)力機葉片翼型廓線自主設(shè)計的新理論和新方法,具有非常重要的理論意義和工業(yè)應(yīng)用價值。在國家自然科學(xué)基金項目(編號:5077522

2、7)和重慶市自然科學(xué)基金重點項目(編號:CSTC,2008BC3029)資助下,本文提出了“風(fēng)力機專用翼型及葉片關(guān)鍵設(shè)計理論研究”的研究課題,在分析國內(nèi)外關(guān)于風(fēng)力機葉片及翼型研究理論及方法的基礎(chǔ)上,提出一種新的翼型參數(shù)化表征形式----“形函數(shù)”以及通用三維葉片曲面集成表達方法----“形函數(shù)/分布函數(shù)”,結(jié)合泛函分析思想、多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化思想、并行協(xié)同設(shè)計等理論和方法,基于風(fēng)力機翼型和葉片的空氣動力性能,設(shè)計得到一系列性能優(yōu)良的風(fēng)力機專

3、用翼型和葉片,形成了風(fēng)力機專用翼型廓線及高性能風(fēng)力機葉片自主設(shè)計的新理論和新方法,并對所設(shè)計的翼型通過風(fēng)洞試驗進行了驗證。完成的主要研究工作和取得的研究成果主要有：
　　 ①探討二維翼型型線所具有的相似幾何特性,基于保角變換理論和級數(shù)思想,提出了一種通用的翼型參數(shù)化集成表征方法----“形函數(shù)”,分析并推導(dǎo)了生成翼型的控制條件方程,深入研究了“形函數(shù)”系數(shù)對翼型設(shè)計空間的覆蓋特性的影響,研究表明采用“形函數(shù)”法所設(shè)計的翼型型線可

4、以完全覆蓋一個接近圓的擬圓空間?！靶魏瘮?shù)”法突破了原有翼型數(shù)學(xué)模型固有特性的限制,從根源上實現(xiàn)了翼型的函數(shù)表征,而且可以通過控制條件方程對設(shè)計翼型的關(guān)鍵幾何外形進行控制(如翼型厚度、彎度等),將翼型形狀的優(yōu)化轉(zhuǎn)化為控制參數(shù)的優(yōu)化,為風(fēng)力機葉片翼型廓線設(shè)計與研究拓寬了思路。
　　 ②對目前廣泛應(yīng)用的30多種風(fēng)力機翼型數(shù)據(jù)(包括傳統(tǒng)的航空翼型和風(fēng)力機專用翼型)進行了參數(shù)化集成表達的幾何收斂性和氣動收斂特性分析研究,結(jié)果表明隨著翼型“

5、形函數(shù)”擬合階次的增加,擬合翼型的幾何形狀及氣動特性逐漸逼近目標(biāo)翼型,分析并總結(jié)了不同翼型參數(shù)化集成表達的最低擬合階數(shù),為風(fēng)力機翼型的幾何形狀拓撲集成問題研究提供了理論基礎(chǔ)。
　　 ③采用翼型“形函數(shù)”法和多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化思想,以形狀函數(shù)系數(shù)作為設(shè)計變量,控制方程及相應(yīng)氣動學(xué)科、結(jié)構(gòu)學(xué)科、聲學(xué)學(xué)科等多學(xué)科性能要求作為約束條件,分別以設(shè)計攻角及相應(yīng)厚度翼型所對應(yīng)展向位置的雷諾數(shù)(Re)與馬赫數(shù)(Ma)條件下的自由轉(zhuǎn)捩工況和固定轉(zhuǎn)捩工

6、況下升阻比作為子目標(biāo)函數(shù),根據(jù)不同風(fēng)場環(huán)境對于風(fēng)力機專用翼型的要求選取不同的權(quán)值系數(shù)組合作為系統(tǒng)級目標(biāo),建立二維翼型型線的多目標(biāo)形狀優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型,應(yīng)用改進后的多目標(biāo)遺傳優(yōu)化方法,設(shè)計得到了一系列風(fēng)力機專用翼型。該方法突破現(xiàn)有基于單一學(xué)科分析的風(fēng)力機翼型設(shè)計方法,形成了風(fēng)力機專用翼型廓線自主設(shè)計的新理論和新方法。
　　 ④基于二維翼型的通用參數(shù)化表達方法(“形函數(shù)”法),深入分析了風(fēng)力機葉片展向翼型分布、弦長分布以及扭角分布

7、特性,對各種不同類型葉片的三維表征形式進行了推導(dǎo),提出了一種通用的三維葉片集成表達方法-“形函數(shù)/分布函數(shù)”,該方法能夠?qū)θ我馊~片的幾何外形進行集成:即集成葉片的翼型分布、葉片弦長分布、葉片扭角分布；應(yīng)用通用集成方法對某實際風(fēng)輪葉片進行了參數(shù)化集成研究。建立了通用風(fēng)力機葉片三維曲面集成方法,為風(fēng)力機葉片設(shè)計與形狀優(yōu)化奠定了基礎(chǔ),同時也為研究類似三維曲面形狀問題的集成表達提供了理論借鑒和參考。
　　 ⑤應(yīng)用泛函分析思想和級數(shù)理論研

8、究了三維葉片的形狀優(yōu)化問題,基于風(fēng)力機葉片展向形狀分布通用泛函表征形式----“形函數(shù)/分布函數(shù)”,將幾何形狀優(yōu)化提升到函數(shù)優(yōu)化的高度,葉片幾何形狀及分布特性可以通過級數(shù)系數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化加以控制；形狀優(yōu)化的泛函極值問題也可以通過對可變項數(shù)級數(shù)系數(shù)的參數(shù)優(yōu)化來逐次逼近,從而用非線性規(guī)劃的數(shù)值方法來解決通用三維葉片的形狀優(yōu)化問題。以風(fēng)力機空氣動力學(xué)為基礎(chǔ),在所設(shè)計葉片主要功率產(chǎn)生區(qū)域全部采用新設(shè)計的WT系列高性能風(fēng)力機專用翼型,分別以定速運

9、行方式和變速運行方式葉輪的發(fā)電量輸出最大化作為優(yōu)化設(shè)計目標(biāo),以葉片展向分布形狀函數(shù)系數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計變量,建立風(fēng)力機葉片形狀優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用該葉片優(yōu)化模型,分別按風(fēng)力機變速運行和定速運行工況設(shè)計得到額定功率為2.3MW的性能優(yōu)良的變速葉片和定速葉片,為高效率風(fēng)力機葉片的設(shè)計和開發(fā)提供了可靠的理論依據(jù),同時為葉輪式流體機械的設(shè)計與優(yōu)化研究提供了新的思路。
　　 ⑥為驗證本文所建立風(fēng)力機專用翼型通用設(shè)計理論及方法的正確性,選取新設(shè)計

10、的WT180高性能風(fēng)力機專用翼型,進行了風(fēng)洞實驗研究,得到了在雷諾數(shù)分別為2.0×106、3.0×106、和4.0×106,自由轉(zhuǎn)捩和固定轉(zhuǎn)捩狀態(tài)下的氣動性能。試驗結(jié)果表明,WT180翼型在自由轉(zhuǎn)捩工況和固定轉(zhuǎn)捩工況下都具有較高的升力系數(shù)和升阻比,具有良好的設(shè)計工況和非設(shè)計工況氣動力能特性,適合風(fēng)力機的工作特性要求；同時翼型升力線斜率在兩個轉(zhuǎn)捩工況下都隨雷諾數(shù)的增加而增加,且主要攻角范圍內(nèi)阻力減小,符合基本的雷諾數(shù)影響規(guī)律。將風(fēng)洞實驗結(jié)