大型風(fēng)力機(jī)翼型氣動(dòng)性能優(yōu)化研究.pdf

1、能源短缺、環(huán)境污染等問(wèn)題正制約著人類社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步。和傳統(tǒng)能源相比，風(fēng)能作為一種在地球上分布廣泛、儲(chǔ)量豐富的可再生能源，其有效開(kāi)發(fā)和利用一方面可以減輕對(duì)常規(guī)化石能源的依賴程度，減少化石燃料使用造成的環(huán)境污染，另一方面風(fēng)力發(fā)電和傳統(tǒng)火電、核電等發(fā)電方式相比不需要用水可節(jié)約大量寶貴的水資源。目前陸上優(yōu)質(zhì)風(fēng)能資源的開(kāi)發(fā)和利用已基本飽和，風(fēng)能資源的開(kāi)發(fā)正從陸地走向海洋。海上風(fēng)能資源跟陸上風(fēng)能資源相比由于缺少阻擋，其風(fēng)能的品質(zhì)要高于陸地，為了盡

2、可能多地吸收風(fēng)能，水平軸風(fēng)力機(jī)正向大型化巨型化方向發(fā)展。隨著葉片長(zhǎng)度的增加，也對(duì)葉片不同部位的翼型提出了新的要求，且葉片長(zhǎng)度增大也會(huì)導(dǎo)致葉片剛度減小，柔度增加。所以根據(jù)大型風(fēng)力機(jī)葉片不同部位翼型的運(yùn)行要求，對(duì)這些翼型的氣動(dòng)性能進(jìn)行深入研究，并設(shè)計(jì)出高性能的風(fēng)力機(jī)專用系列翼型和風(fēng)力機(jī)葉片，該研究具有一定的理論意義和重要的應(yīng)用意義。
　　在科技部中歐政府間國(guó)際合作項(xiàng)目《基于MEXICO(Model EXperiments In COn

3、trolledconditions)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性及預(yù)測(cè)的研究》(2010DFA6046)和丹麥戰(zhàn)略研究項(xiàng)目《中國(guó)海上風(fēng)力機(jī)開(kāi)發(fā)》(12-130590)的資助下，本文提出了“大型風(fēng)力機(jī)翼型氣動(dòng)性能優(yōu)化研究”的課題。論文根據(jù)大型風(fēng)力機(jī)葉片的新特點(diǎn)，從大型風(fēng)力機(jī)葉片不同部位翼型設(shè)計(jì)要求出發(fā)，對(duì)不同部位翼型的氣動(dòng)性能展開(kāi)深入研究，研究旋轉(zhuǎn)、可壓縮等因素對(duì)翼型氣動(dòng)性能的影響并將其應(yīng)用到翼型設(shè)計(jì)中，以翼型在一定范圍內(nèi)的升阻比最大或二維功

4、率系數(shù)最大為目標(biāo)設(shè)計(jì)得到用于葉片不同部位的新翼型系列。采用新設(shè)計(jì)翼型，考慮葉尖損失等因素以葉片二維功率系數(shù)最大為目標(biāo)建立新的葉片設(shè)計(jì)模型，設(shè)計(jì)得到性能較優(yōu)的新風(fēng)力機(jī)葉片。此外根據(jù)水平軸風(fēng)力機(jī)氣彈理論，建立水平軸風(fēng)力機(jī)氣彈計(jì)算模型，研究了水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的氣彈性能。在大型水平軸風(fēng)力機(jī)翼型及氣彈研究方面獲得了創(chuàng)新型成果。論文的主要研究工作和成果有:
　　(1)分析了鈍尾緣翼型的氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用指數(shù)混合函數(shù)方法對(duì)DU系列厚翼型尾緣進(jìn)

5、行加厚修型，研究了指數(shù)混合函數(shù)尾緣加厚修型方法對(duì)翼型表面連續(xù)性的影響。采用定常和非定常CFD方法、面元法對(duì)尾緣加厚的DU系列翼型在自由轉(zhuǎn)捩和固定轉(zhuǎn)捩工況下的氣動(dòng)性能進(jìn)行計(jì)算，綜合分析不同最大相對(duì)厚度的翼型尾緣加厚后的升力和阻力系數(shù)隨攻角變化特性，探究了不同最大相對(duì)厚度的鈍尾緣翼型的升力變化特性以及鈍尾緣翼型在定常和非定常狀態(tài)下升阻力系數(shù)特性與尾緣加厚厚度之間的關(guān)系，為鈍尾緣翼型的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。從邊界層理論出發(fā)，詳細(xì)分析了鈍尾緣翼型表面

6、壓力系數(shù)分布，揭示了其升力特性變化的機(jī)理。
　　(2)建立MEXICO試驗(yàn)風(fēng)力機(jī)三維模型，對(duì)其周圍流場(chǎng)和葉片所受載荷進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，將葉片表面計(jì)算壓力系數(shù)和周圍計(jì)算流速跟試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的可靠性。將計(jì)算得到的MEXICO葉片中部的RIS(O)-A1-21翼型和外側(cè)的NACA64-418翼型在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的升阻力特性跟三維試驗(yàn)值、二維試驗(yàn)值、基于二維試驗(yàn)數(shù)據(jù)的三維修正值進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)了旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下葉片不同位置處翼型性

7、能的變化規(guī)律。為進(jìn)一步深入研究鈍尾緣翼型的氣動(dòng)性能，采用葉素動(dòng)量方法將DU97-W-300和DU97-W-300-05翼型分別設(shè)計(jì)成攻角沿徑向相同，弦長(zhǎng)沿徑向不變的葉片，研究葉片在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下翼型的氣動(dòng)性能，總結(jié)得到旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下鈍尾緣翼型在不同徑向位置處的氣動(dòng)特性。、
　　(3)為適應(yīng)風(fēng)力機(jī)葉尖速越來(lái)越大的運(yùn)行情況，對(duì)空氣可壓縮性對(duì)風(fēng)力機(jī)專用翼型性能的影響展開(kāi)研究。采用二維風(fēng)洞試驗(yàn)方法對(duì)風(fēng)力機(jī)專用DTU-LN218翼型在雷諾數(shù)為1.5

8、×106、3×106、4×106、5×106和6×106時(shí)的氣動(dòng)性能進(jìn)行測(cè)試，主要取雷諾數(shù)為6×106和4×106時(shí)對(duì)應(yīng)來(lái)流馬赫數(shù)分別為0.3和0.2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對(duì)直接測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行考慮可壓縮影響的洞壁效應(yīng)修正，將其修正到自由流中，研究洞壁效應(yīng)對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的影響。詳細(xì)驗(yàn)證分析了CFD程序FLUENT、面元法程序XFOIL和Q3UIC對(duì)DTU-LN218和DU91-W2-250翼型在流動(dòng)可壓和不可壓時(shí)氣動(dòng)性能的計(jì)算精度。

9、對(duì)比分析了Prandtl-Glauert、Karman-Tsien和Laitone三種可壓縮修正方法的正向和反向修正精度。此外還通過(guò)改變來(lái)流風(fēng)速改變馬赫數(shù)，同時(shí)改變翼型弦長(zhǎng)保持翼型弦長(zhǎng)不變，以馬赫數(shù)為單一變化量研究馬赫數(shù)變化對(duì)翼型氣動(dòng)性能的影響規(guī)律。為設(shè)計(jì)在流動(dòng)可壓狀態(tài)下工作的風(fēng)力機(jī)翼型以及預(yù)測(cè)流動(dòng)可壓狀態(tài)下風(fēng)力機(jī)翼型的氣動(dòng)性能提供了參考。
　　(4)分析了風(fēng)力機(jī)葉片不同展向位置翼型設(shè)計(jì)要求，基于研究得到的鈍尾緣翼型升力特性隨尾緣

10、厚度變化規(guī)律，流動(dòng)可壓縮性對(duì)翼型性能的影響等成果提出了在一定攻角范圍內(nèi)以翼型光滑和粗糙狀態(tài)下升阻比或功率系數(shù)最大為目標(biāo)，以多段貝塞爾曲線描述翼型形狀，分段貝塞爾曲線描述翼型形狀可方便實(shí)現(xiàn)翼型局部形狀的改變，且可以方便調(diào)節(jié)控制翼型尾緣厚度，方便對(duì)厚翼型進(jìn)行鈍尾緣設(shè)計(jì)，綜合考慮翼型氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、幾何兼容性以及葉片制造方便等因素的風(fēng)力機(jī)專用翼型設(shè)計(jì)優(yōu)化模型，并設(shè)計(jì)出了最大相對(duì)厚度為18％、、21％、24％、27％和30％的WTA系列翼型。對(duì)WT

11、A系列翼型的氣動(dòng)性能進(jìn)行了詳細(xì)分析，并將新設(shè)計(jì)翼型的氣動(dòng)性能與現(xiàn)有最大相對(duì)厚度相同的傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)專用翼型進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了WTA系列翼型的優(yōu)良?xì)鈩?dòng)性能。探討了大型風(fēng)力機(jī)葉片不同展向位置翼型的設(shè)計(jì)方法，豐富了風(fēng)力機(jī)專用翼型設(shè)計(jì)方法及思路，設(shè)計(jì)得到的WTA系列風(fēng)力機(jī)專用翼型可用于大型風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)。
　　(5)以某5 MW風(fēng)力機(jī)為參考，采用新設(shè)計(jì)的WTA系列翼型替換參考風(fēng)力機(jī)葉片中相對(duì)厚度相同的翼型，保持參考葉片其他幾何特征不變，替換翼型

12、后的風(fēng)力機(jī)的輸出功率明顯提高，驗(yàn)證了新設(shè)計(jì)翼型在應(yīng)用過(guò)程中的優(yōu)越性能。以葉素單元二維功率系數(shù)最大為目標(biāo)，引入Shen葉尖修正模型，建立了新的葉片氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)模型，采用Snel三維修正模型修正后的新設(shè)計(jì)翼型的升阻力數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)得到一新的5 MW風(fēng)力機(jī)葉輪，通過(guò)將新設(shè)計(jì)葉輪和某5 MW參考風(fēng)力機(jī)葉輪的功率性能進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)模型的可靠性，奠定了工程應(yīng)用的基礎(chǔ)。建立水平軸風(fēng)力機(jī)氣彈計(jì)算模型，以非定常葉素動(dòng)量方法計(jì)算風(fēng)力機(jī)所受載荷，將偏航

13、模型引入氣動(dòng)模型對(duì)誘導(dǎo)速度進(jìn)行修正，根據(jù)虛功原理建立描述風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)微分方程的質(zhì)量、剛度矩陣，采用龍格-庫(kù)塔-尼斯特倫積分方法對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)微分方程進(jìn)行求解，開(kāi)發(fā)了水平軸風(fēng)力機(jī)氣彈計(jì)算程序，對(duì)某5 MW參考風(fēng)力機(jī)和用WTA系列翼型替換參考風(fēng)力機(jī)翼型后的風(fēng)力機(jī)在不同偏航角工況下的氣彈性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，詳細(xì)分析了葉片特征模態(tài)、不同偏航角工況下的葉片變形特性，總結(jié)了不同偏航角工況下葉片變形規(guī)律，為指導(dǎo)風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及疲勞壽命預(yù)測(cè)奠定了