大型海上風(fēng)力機葉片氣動與結(jié)構(gòu)設(shè)計研究.pdf

1、環(huán)境友好地發(fā)展是全人類的共同使命，全球氣候變暖以及能源危機促使增加可再生能源比率成為全世界的共識。中國政府承諾非石化能源占總能源消耗的比例在2030年達到20％，中國有望在2020年成為全球海上風(fēng)電利用第一大國。風(fēng)力機整機最基礎(chǔ)的部件是葉片，它決定整機功率系數(shù)和設(shè)計載荷等關(guān)鍵參數(shù)。然而，隨著風(fēng)力機朝著大型化和海上發(fā)展，葉片的尺寸越來越大，其精確氣動計算、氣動外形和結(jié)構(gòu)設(shè)計都面臨新的挑戰(zhàn)。
　　本文在國家自然科學(xué)基金項目“基于參數(shù)化

2、的風(fēng)力機葉片氣動性能與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計理論”（編號：51175526）、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）“先進風(fēng)力機翼型族設(shè)計技術(shù)研究”（編號：2012AA051301）、中國國家留學(xué)基金委的資助下，同時在丹麥戰(zhàn)略研究委員會“OffWindChina”項目（編號：0603-00506B）的幫助下，針對“大型海上風(fēng)力機葉片氣動與結(jié)構(gòu)設(shè)計研究”這一課題做了相關(guān)研究?；诖笮秃Ｉ巷L(fēng)力機葉片的特點，分別為2MW和5MW海上風(fēng)力機葉片的主要功率

3、產(chǎn)生區(qū)設(shè)計了新翼型；開發(fā)了高精度葉片氣動性能計算理論模型，并與MEXICO風(fēng)力機風(fēng)洞實驗進行對比；基于新開發(fā)的氣動模型，對5MW風(fēng)力機葉片的氣動外形進行設(shè)計；基于新氣動外形和中國某地海上風(fēng)資源狀況，對5MW風(fēng)力機葉片的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。論文完成的主要研究工作和取得的相關(guān)研究成果有：
　　①首先，根據(jù)典型2MW風(fēng)力機葉片的雷諾數(shù)要求及海上風(fēng)場的光滑翼面條件，基于翼型集成表達理論和CFD工具，采用改進的遺傳算法對相對厚度為18%的翼型

4、進行優(yōu)化設(shè)計。編程集成ICEM和FLUENT，并完成翼型生成、大變形網(wǎng)格重構(gòu)、邊界條件生成和流場解算。結(jié)果表明本平臺設(shè)計的翼型在設(shè)計、非設(shè)計工況下以及主要攻角范圍內(nèi)有較高升力系數(shù)和升阻比。其次，根據(jù)5 MW風(fēng)力機葉片的實際雷諾數(shù)條件、實際符合材料鋪層布置以及海上風(fēng)場的低粗糙度敏感性要求，基于經(jīng)典層合板理論對翼型的氣動性能和結(jié)構(gòu)強度進行一體化優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化目標除了追求高升力系數(shù)和高升阻比以外，還考慮了翼型失速后升力系數(shù)的下降平緩度的要求，

5、而后者對于葉片疲勞壽命影響重大，也是常用商用風(fēng)力機翼型的隱含特點。新翼型的升力系數(shù)高、升阻比大、失速后升力系數(shù)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)性能良好，為設(shè)計氣動性能好、結(jié)構(gòu)強度高的大型海上風(fēng)力機葉片打好基礎(chǔ)。
　?、谌~素動量（Blade Element Momentum,BEM）理論被廣泛應(yīng)用于風(fēng)力機的氣動性能預(yù)測和優(yōu)化設(shè)計中。不動點迭代法是求解BEM方程最常用的方法。然而有時迭代求解不能收斂于物理解，尤其靠近葉尖和葉根部位的不收斂概率非常高。導(dǎo)致氣

6、動計算和優(yōu)化設(shè)計的穩(wěn)定性和精度被大大降低，此不利結(jié)果在大型風(fēng)力機葉片上會被放大。通過理論分析和數(shù)值測試探索了導(dǎo)致不收斂現(xiàn)象的內(nèi)部機理。當初始入流角被設(shè)定為大于臨界入流角，且采用松弛因子策略時，迭代計算的收斂能力會有很大提高。并且對由不同的局部速比、局部實度、局部扭角和翼型組合而成的一系列算例進行了計算測試。結(jié)果表明改進的不動點迭代法有很好的收斂能力，提高了大型葉片氣動和結(jié)構(gòu)設(shè)計的穩(wěn)定性。
　　③傳統(tǒng)BEM理論的計算精度并不是非常高

7、，其通常會低估葉片葉根處的受力且高估葉尖處的受力，進而降低氣動計算和優(yōu)化設(shè)計的可靠性。對于大型風(fēng)力機的超長葉片而言，傳統(tǒng)BEM理論的缺陷會被放大，為葉片設(shè)計帶來較大誤差。為了給大型風(fēng)力機葉片設(shè)計提供精確地氣動計算工具，本文開發(fā)了一種新的葉素動量理論，其在動量理論中考慮了由尾流旋轉(zhuǎn)引起的壓力降低和風(fēng)輪氣動盤處的徑向速度的影響。因此，風(fēng)輪氣動盤處的軸向誘導(dǎo)因子不是無限遠尾流處的一半。新的葉素動量理論考慮了Glauert葉尖損失模型和Shen

8、葉尖損失模型。通過對MEXICO實驗風(fēng)力機做計算測試，發(fā)現(xiàn)新BEM理論得到了比傳統(tǒng)BEM理論更好的結(jié)果，尤其是在葉尖附近改善更為明顯，這為大型海上風(fēng)力機葉片的精確設(shè)計提供了堅實基礎(chǔ)。
　?、芑谛麻_發(fā)的BEM模型，運用改進的粒子群算法對大型5MW風(fēng)力機葉片的扭角分布進行優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果表明，優(yōu)化后風(fēng)輪的功率系數(shù)得到了提高，同時也驗證了新設(shè)計翼型的優(yōu)良氣動性能。優(yōu)化后葉片的最大扭角減小了，扭角沿徑向的變化率降低了，這對大型風(fēng)力機葉片的