風力機翼型與葉片協(xié)同設計理論研究.pdf

1、隨著風力機空氣動力學、材料、發(fā)電機技術的發(fā)展,風力發(fā)電裝機容量迅速增加,風力發(fā)電成本呈降低趨勢,風電成為發(fā)展最快的發(fā)電方式之一,受到世界各國的廣泛重視。目前國內外對翼型葉片的設計研究都是基于傳統(tǒng)的串行分開設計方法,不能更大限度的提高風輪的風能利用效率,因此有必要對風力機翼型及葉片協(xié)同設計理論和方法展開原創(chuàng)性研究,設計出既符合風力機運行工況又適應環(huán)境要求的專用翼型和葉片,形成風力機葉片翼型設計的新理論和新方法,促進風電產業(yè)又好又快發(fā)展。<

2、br>　　 在國家自然科學基金項目(編號:50775227)和重慶市自然科學基金重點項目(編號:CSTC,2008BC3029)資助下,本文提出了“風力機翼型與葉片協(xié)同設計理論研究”的研究課題。論文研究從能量輸出的角度入手,建立了風力機翼型與葉片的協(xié)同設計模型,將翼型和葉片設計統(tǒng)一起來,基于風力機翼型型線設計理論和翼型、葉片噪聲預測理論,分別以翼型二維風能系數(shù)最大和葉片能量輸出成本最低為目標,設計出具有高性能低噪聲的新型風力機翼型和葉

3、片,形成了完整的翼型及葉片設計理論和方法,并對所設計的翼型通過風洞試驗進行了驗證。論文完成的主要研究工作和取得的研究成果主要有:
　　 1)探討了翼型的幾何參數(shù)對氣動性能的影響關系,分析了目前翼型設計中幾種常見方法的優(yōu)缺點,針對風力機專用翼型設計理論,從翼型氣動外形出發(fā),推導了翼型型線通用表達函數(shù),為翼型和葉片的優(yōu)化研究奠定了基礎;對翼型氣動性能的預測方法進行了探討,選取FFA系列翼型,比較了XFOIL、CFD方法的預測數(shù)據(jù)與風

4、洞實驗結果,為翼型優(yōu)化過程中氣動性能預測提供了有效的手段。
　　 2)針對翼型自身噪聲,基于BPM模型,建立并改進了翼型噪聲計算模型,針對S809與FFA-W3-241翼型,將本模型計算結果與美國可再生能源實驗室開發(fā)的翼型噪聲預測軟件NAFNoise的計算結果進行了對比分析,驗證了噪聲計算模型的正確性;針對NACA系列翼型,研究了翼型主要幾何參數(shù)變化對翼型噪聲性能影響,基于噪聲計算模型,提出了以翼型效噪比為優(yōu)化目標的翼型設計模型

5、,為設計低噪聲高性能的翼型奠定了基礎。
　　 3)以動量葉素理論為基礎,從能量的角度入手,推導了二維翼型的風能利用系數(shù),通過分析翼型在各段升阻比范圍內升阻比對風能利用系數(shù)增加的影響,基于翼型型線理論和翼型噪聲計算模型,針對風力機展向各處對翼型設計的不同要求,綜合考慮翼型的前緣粗糙度敏感性、非設計工況特性、失速特性、噪聲特性以及風力機的使用壽命,建立了以多攻角范圍內翼型綜合風能利用系數(shù)為設計目標的翼型優(yōu)化模型,設計得到了CQU-D

6、TU-B翼型族,該方法突破了基于單一學科的傳統(tǒng)翼型、葉片串行設計方法,形成了適應于實際葉片展向分布特性的葉片翼型協(xié)同設計數(shù)學模型,為葉片氣動外形的設計研究奠定了基礎。
　　 4)鑒于工程實際的需要,在CQU-DTU-B翼型的設計過程中,提出了通過旋轉翼型下翼面設計翼型尾緣的新方法,選取CQU-DTU-B21翼型,對尾緣厚度不同時翼型的氣動性能進行了研究,為翼型的尾緣處理方法提供了依據(jù);基于翼型型線理論,對翼型的表面曲率光滑與連續(xù)

7、性進行了研究,探討了曲率變化對翼型氣動性能,特別是翼型表面壓力分布的影響規(guī)律,繼而對FX66-S196-V1翼型進行了改進設計,為風力機翼型設計與改進提供了新的方法和手段。
　　 5)對CQU-DTU-T21翼型進行了風洞試驗,得到了翼型在自由轉捩工況和固定轉捩工況下的氣動性能,并將實驗結果與丹麥DTU和RIS(O)實驗室風力機翼型專用CFD軟件EllipSys2D和XFOIL計算結果進行了比較,驗證了本文所提出的翼型設計理論和

8、方法的正確性和有效性;此外,與DU93-W-210翼型的測試結果進行了對比分析,結果顯示在兩種運行工況下,CQU-DTU-T21翼型幾乎在整個攻角范圍內都具有更大的升力系數(shù)和更高的升阻比,奠定了新翼型的工業(yè)應用基礎。
　　 6)基于動量理論和葉素理論,結合Shen葉尖修正模型,建立了風力機葉片氣動性能計算模型;分析了葉片設計時采用的葛勞渥(Glauert)模型和Wilson模型的優(yōu)缺點,通過對葉片氣動性能計算模型的研究,從能量輸

9、出最大的角度入手,考慮干涉因子和翼型阻力,把風輪實度同功率的優(yōu)化結合起來,建立了葉片與翼型的協(xié)同設計的數(shù)學模型,從而將葉片設計和翼型優(yōu)化統(tǒng)一起來。通過對某5MW葉片的重新設計和性能比較分析,驗證了該方法的優(yōu)越性。
　　 7)對目前的風力機風輪優(yōu)化模型進行了比較分析,采用了基于能量成本的風力機優(yōu)化設計模型,基于翼型噪聲預測模型,建立了風力機的噪聲計算模型,選擇CQU-DTU-B系列翼型,以風能能量成本為優(yōu)化目標,考慮葉片的載荷特性