風(fēng)力機(jī)專用翼型及葉片關(guān)鍵設(shè)計(jì)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(guó)的重視,葉片是風(fēng)力機(jī)中最關(guān)鍵的部件之一,達(dá)到整機(jī)價(jià)值的20％左右,風(fēng)力機(jī)翼型及葉片沿展向的分布設(shè)計(jì)理論是決定風(fēng)力機(jī)功率特性和載荷特性的根本因素,其良好的設(shè)計(jì)、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的決定因素。所以對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片及翼型展開原創(chuàng)性的研究工作,進(jìn)而形成風(fēng)力機(jī)葉片翼型廓線自主設(shè)計(jì)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(jià)值。在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào):5077522

2、7)和重慶市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(編號(hào):CSTC,2008BC3029)資助下,本文提出了“風(fēng)力機(jī)專用翼型及葉片關(guān)鍵設(shè)計(jì)理論研究”的研究課題,在分析國(guó)內(nèi)外關(guān)于風(fēng)力機(jī)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(dá)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(jì)優(yōu)化思想、并行協(xié)同設(shè)計(jì)等理論和方法,基于風(fēng)力機(jī)翼型和葉片的空氣動(dòng)力性能,設(shè)計(jì)得到一系列性能優(yōu)良的風(fēng)力機(jī)專

3、用翼型和葉片,形成了風(fēng)力機(jī)專用翼型廓線及高性能風(fēng)力機(jī)葉片自主設(shè)計(jì)的新理論和新方法,并對(duì)所設(shè)計(jì)的翼型通過風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)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(jí)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(duì)翼型設(shè)計(jì)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(jì)的翼型型線可

4、以完全覆蓋一個(gè)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(shí)現(xiàn)了翼型的函數(shù)表征,而且可以通過控制條件方程對(duì)設(shè)計(jì)翼型的關(guān)鍵幾何外形進(jìn)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(jī)葉片翼型廓線設(shè)計(jì)與研究拓寬了思路。
　　 ②對(duì)目前廣泛應(yīng)用的30多種風(fēng)力機(jī)翼型數(shù)據(jù)(包括傳統(tǒng)的航空翼型和風(fēng)力機(jī)專用翼型)進(jìn)行了參數(shù)化集成表達(dá)的幾何收斂性和氣動(dòng)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(dòng)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(dá)的最低擬合階數(shù),為風(fēng)力機(jī)翼型的幾何形狀拓?fù)浼蓡栴}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(jì)優(yōu)化思想,以形狀函數(shù)系數(shù)作為設(shè)計(jì)變量,控制方程及相應(yīng)氣動(dòng)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(jì)攻角及相應(yīng)厚度翼型所對(duì)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(chǎng)環(huán)境對(duì)于風(fēng)力機(jī)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(jí)目標(biāo),建立二維翼型型線的多目標(biāo)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型,應(yīng)用改進(jìn)后的多目標(biāo)遺傳優(yōu)化方法,設(shè)計(jì)得到了一系列風(fēng)力機(jī)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(jī)翼型設(shè)計(jì)方法,形成了風(fēng)力機(jī)專用翼型廓線自主設(shè)計(jì)的新理論和新方法。
　　 ④基于二維翼型的通用參數(shù)化表達(dá)方法(“形函數(shù)”法),深入分析了風(fēng)力機(jī)葉片展向翼型分布、弦長(zhǎng)分布以及扭角分布

7、特性,對(duì)各種不同類型葉片的三維表征形式進(jìn)行了推導(dǎo),提出了一種通用的三維葉片集成表達(dá)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(jìn)行集成:即集成葉片的翼型分布、葉片弦長(zhǎng)分布、葉片扭角分布；應(yīng)用通用集成方法對(duì)某實(shí)際風(fēng)輪葉片進(jìn)行了參數(shù)化集成研究。建立了通用風(fēng)力機(jī)葉片三維曲面集成方法,為風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)與形狀優(yōu)化奠定了基礎(chǔ),同時(shí)也為研究類似三維曲面形狀問題的集成表達(dá)提供了理論借鑒和參考。
　　 ⑤應(yīng)用泛函分析思想和級(jí)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(jī)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(jí)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(duì)可變項(xiàng)數(shù)級(jí)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(jī)空氣動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ),在所設(shè)計(jì)葉片主要功率產(chǎn)生區(qū)域全部采用新設(shè)計(jì)的WT系列高性能風(fēng)力機(jī)專用翼型,分別以定速運(yùn)

9、行方式和變速運(yùn)行方式葉輪的發(fā)電量輸出最大化作為優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)變量,建立風(fēng)力機(jī)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(jī)變速運(yùn)行和定速運(yùn)行工況設(shè)計(jì)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(jī)葉片的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了可靠的理論依據(jù),同時(shí)為葉輪式流體機(jī)械的設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究提供了新的思路。
　　 ⑥為驗(yàn)證本文所建立風(fēng)力機(jī)專用翼型通用設(shè)計(jì)理論及方法的正確性,選取新設(shè)計(jì)

10、的WT180高性能風(fēng)力機(jī)專用翼型,進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)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(dòng)性能。試驗(yàn)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(jì)工況和非設(shè)計(jì)工況氣動(dòng)力能特性,適合風(fēng)力機(jī)的工作特性要求；同時(shí)翼型升力線斜率在兩個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)