分離式尾緣襟翼風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)性能分析及優(yōu)化研究.pdf

1、隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，作為可再生能源發(fā)電技術(shù)最為成熟、最具有開發(fā)潛力的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，在世界各地得到了長足的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電成本逐年降低，然而風(fēng)力發(fā)電的成本依然是阻礙風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素之一。為了提高風(fēng)力機(jī)的捕風(fēng)效率，進(jìn)而降低風(fēng)力發(fā)電成本，有必要對(duì)風(fēng)力機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。風(fēng)力機(jī)葉片是風(fēng)力機(jī)中最重要的關(guān)鍵部件之一，風(fēng)力機(jī)葉片性能的好壞決定著風(fēng)力機(jī)的捕風(fēng)能力及運(yùn)行壽命。目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片優(yōu)化方法進(jìn)行了廣泛研究，現(xiàn)有葉片優(yōu)化方法已經(jīng)趨于成

2、熟，如單純對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片的翼型參數(shù)優(yōu)化對(duì)于風(fēng)力機(jī)的捕風(fēng)能力提高效果已經(jīng)不明顯，有必要采用新的翼型結(jié)構(gòu)來提高風(fēng)力機(jī)的捕風(fēng)能力。在眾多的結(jié)構(gòu)改造方法之中，風(fēng)力機(jī)尾緣添加分離式尾緣襟翼效果最為明顯，該方法不但可以改善風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能，提高其捕風(fēng)能力，還可對(duì)風(fēng)力機(jī)的功率及載荷進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)和控制，能有效的提高低風(fēng)速時(shí)的捕風(fēng)能力并降低高風(fēng)速時(shí)風(fēng)力機(jī)的載荷，在風(fēng)頻變化較快時(shí)還可以起到輔助變槳作用，在提高風(fēng)力機(jī)年發(fā)電量的同時(shí)，降低了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行維護(hù)成本

3、并延長了風(fēng)力機(jī)的使用壽命。因此，對(duì)于帶分離式尾緣襟翼的風(fēng)力機(jī)翼型氣動(dòng)性能分析及優(yōu)化研究具有重要的意義。
　　本文在認(rèn)真研讀國內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，以水平軸風(fēng)力機(jī)葉片作為研究對(duì)象，對(duì)帶分離式尾緣襟翼的二維風(fēng)力機(jī)翼型及帶分離式尾緣襟翼的三維風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)性能及優(yōu)化方法進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，主要研究工作包括:
　　(1)風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)理論。深入研究并推導(dǎo)了改進(jìn)的BEM理論、三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)模型及各種修正模型，研究

4、了復(fù)合材料歐拉梁理論并在此基礎(chǔ)上建立了歐拉梁理論與改進(jìn)的BEM理論耦合模型;研究了計(jì)算流體力學(xué)中的SST k-ω模型。
　　(2)二維帶分離式尾緣襟翼風(fēng)力機(jī)翼型氣動(dòng)性能分析。以翼型S809為研究對(duì)象，建立了翼型S809分離式尾緣襟翼系列模型，采用SST k-ω模型對(duì)添加尾緣襟翼的風(fēng)力機(jī)翼型氣動(dòng)性能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算及對(duì)比分析，比較了不同的襟翼長度、不同襟翼偏轉(zhuǎn)角度以及不同襟翼縫隙大小對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型氣動(dòng)性能的影響。初步確定了襟翼長度、襟翼偏

5、轉(zhuǎn)角度、襟翼縫隙大小對(duì)風(fēng)力機(jī)二維翼型氣動(dòng)性能的影響規(guī)律。
　　(3)基于支持向量機(jī)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的襟翼參數(shù)優(yōu)化研究?；谝陨蠋Ы笠盹L(fēng)力機(jī)翼型氣動(dòng)性能數(shù)據(jù)，采用支持向量機(jī)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)建立襟翼參數(shù)與翼型氣動(dòng)性能之間的函數(shù)關(guān)系，將離散的氣動(dòng)性能數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為連續(xù)數(shù)值。分別建立翼型升阻力系數(shù)與襟翼偏轉(zhuǎn)角度、襟翼長度、攻角之間的函數(shù)關(guān)系，并建立以升力系數(shù)和升阻比加權(quán)平均值最大的襟翼參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，采用群智能優(yōu)化算法中的粒子群優(yōu)化方法對(duì)翼

6、型襟翼參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到翼型氣動(dòng)性能最優(yōu)的襟翼參數(shù)及其對(duì)應(yīng)的翼型氣動(dòng)性能，為三維帶襟翼風(fēng)力機(jī)葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
　　(4)三維帶襟翼風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能分析。基于前一章確定的翼型最優(yōu)襟翼參數(shù)，建立PhaseⅥ帶襟翼的幾何模型，采用CFD方法對(duì)其進(jìn)行氣動(dòng)性能計(jì)算，同時(shí)采用改進(jìn)的BEM理論對(duì)其進(jìn)行氣動(dòng)性能計(jì)算并比較，結(jié)果表明CFD方法及改進(jìn)的BEM理論均可對(duì)帶襟翼的風(fēng)力機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)性能計(jì)算分析，與實(shí)驗(yàn)值具有相同的變化趨勢，誤差也在允許

7、范圍內(nèi)。采用CFD優(yōu)點(diǎn)可以更進(jìn)一步研究流場的細(xì)節(jié)，而改進(jìn)的BEM理論可以迅速計(jì)算出風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能，占用的計(jì)算資源較少。帶襟翼風(fēng)力機(jī)葉片與不帶襟翼風(fēng)力機(jī)葉片比較可看出帶襟翼的風(fēng)力機(jī)捕風(fēng)能力明顯增強(qiáng)，尤其是低風(fēng)速情況下，風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)風(fēng)速也由之前的5m/s降為3m/s，使風(fēng)力機(jī)適用風(fēng)速范圍更寬，從而提高年發(fā)電量。
　　(5)帶襟翼的風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究。研究了風(fēng)力機(jī)葉片的常用設(shè)計(jì)方法，采用改進(jìn)的BEM理論方法對(duì)600kW定速定槳型風(fēng)

8、力機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)并與原風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行比較，證明了設(shè)計(jì)方法的合理性及可靠性，在此基礎(chǔ)上建立了年發(fā)電量最大和度電成本最低組合優(yōu)化模型，采用量子行為的粒子群算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明權(quán)重取0.5時(shí)，優(yōu)化結(jié)果比原葉片的年發(fā)電量大且度電成本有所降低。在此基礎(chǔ)上對(duì)600kW定速定槳帶襟翼風(fēng)力機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，結(jié)果表明帶襟翼的風(fēng)力機(jī)低風(fēng)速的捕風(fēng)能力大大提高，額定風(fēng)速也有所降低，年發(fā)電量提高了10％，度電成本降低了5％。進(jìn)而對(duì)1.5MW變速變槳風(fēng)力機(jī)進(jìn)行帶