風(fēng)力機(jī)翼型與葉片協(xié)同設(shè)計(jì)理論研究.pdf

1、隨著風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)、材料、發(fā)電機(jī)技術(shù)的發(fā)展,風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量迅速增加,風(fēng)力發(fā)電成本呈降低趨勢(shì),風(fēng)電成為發(fā)展最快的發(fā)電方式之一,受到世界各國(guó)的廣泛重視。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)翼型葉片的設(shè)計(jì)研究都是基于傳統(tǒng)的串行分開設(shè)計(jì)方法,不能更大限度的提高風(fēng)輪的風(fēng)能利用效率,因此有必要對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型及葉片協(xié)同設(shè)計(jì)理論和方法展開原創(chuàng)性研究,設(shè)計(jì)出既符合風(fēng)力機(jī)運(yùn)行工況又適應(yīng)環(huán)境要求的專用翼型和葉片,形成風(fēng)力機(jī)葉片翼型設(shè)計(jì)的新理論和新方法,促進(jìn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)又好又快發(fā)展。<

2、br>　　 在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào):50775227)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)翼型與葉片協(xié)同設(shè)計(jì)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(fēng)力機(jī)翼型與葉片的協(xié)同設(shè)計(jì)模型,將翼型和葉片設(shè)計(jì)統(tǒng)一起來,基于風(fēng)力機(jī)翼型型線設(shè)計(jì)理論和翼型、葉片噪聲預(yù)測(cè)理論,分別以翼型二維風(fēng)能系數(shù)最大和葉片能量輸出成本最低為目標(biāo),設(shè)計(jì)出具有高性能低噪聲的新型風(fēng)力機(jī)翼型和葉

3、片,形成了完整的翼型及葉片設(shè)計(jì)理論和方法,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。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(duì)氣動(dòng)性能的影響關(guān)系,分析了目前翼型設(shè)計(jì)中幾種常見方法的優(yōu)缺點(diǎn),針對(duì)風(fēng)力機(jī)專用翼型設(shè)計(jì)理論,從翼型氣動(dòng)外形出發(fā),推導(dǎo)了翼型型線通用表達(dá)函數(shù),為翼型和葉片的優(yōu)化研究奠定了基礎(chǔ);對(duì)翼型氣動(dòng)性能的預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了探討,選取FFA系列翼型,比較了XFOIL、CFD方法的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與風(fēng)

4、洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果,為翼型優(yōu)化過程中氣動(dòng)性能預(yù)測(cè)提供了有效的手段。
　　 2)針對(duì)翼型自身噪聲,基于BPM模型,建立并改進(jìn)了翼型噪聲計(jì)算模型,針對(duì)S809與FFA-W3-241翼型,將本模型計(jì)算結(jié)果與美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的翼型噪聲預(yù)測(cè)軟件NAFNoise的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,驗(yàn)證了噪聲計(jì)算模型的正確性;針對(duì)NACA系列翼型,研究了翼型主要幾何參數(shù)變化對(duì)翼型噪聲性能影響,基于噪聲計(jì)算模型,提出了以翼型效噪比為優(yōu)化目標(biāo)的翼型設(shè)計(jì)模型

5、,為設(shè)計(jì)低噪聲高性能的翼型奠定了基礎(chǔ)。
　　 3)以動(dòng)量葉素理論為基礎(chǔ),從能量的角度入手,推導(dǎo)了二維翼型的風(fēng)能利用系數(shù),通過分析翼型在各段升阻比范圍內(nèi)升阻比對(duì)風(fēng)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(jì)算模型,針對(duì)風(fēng)力機(jī)展向各處對(duì)翼型設(shè)計(jì)的不同要求,綜合考慮翼型的前緣粗糙度敏感性、非設(shè)計(jì)工況特性、失速特性、噪聲特性以及風(fēng)力機(jī)的使用壽命,建立了以多攻角范圍內(nèi)翼型綜合風(fēng)能利用系數(shù)為設(shè)計(jì)目標(biāo)的翼型優(yōu)化模型,設(shè)計(jì)得到了CQU-D

6、TU-B翼型族,該方法突破了基于單一學(xué)科的傳統(tǒng)翼型、葉片串行設(shè)計(jì)方法,形成了適應(yīng)于實(shí)際葉片展向分布特性的葉片翼型協(xié)同設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型,為葉片氣動(dòng)外形的設(shè)計(jì)研究奠定了基礎(chǔ)。
　　 4)鑒于工程實(shí)際的需要,在CQU-DTU-B翼型的設(shè)計(jì)過程中,提出了通過旋轉(zhuǎn)翼型下翼面設(shè)計(jì)翼型尾緣的新方法,選取CQU-DTU-B21翼型,對(duì)尾緣厚度不同時(shí)翼型的氣動(dòng)性能進(jìn)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(duì)翼型的表面曲率光滑與連續(xù)

7、性進(jìn)行了研究,探討了曲率變化對(duì)翼型氣動(dòng)性能,特別是翼型表面壓力分布的影響規(guī)律,繼而對(duì)FX66-S196-V1翼型進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì),為風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供了新的方法和手段。
　　 5)對(duì)CQU-DTU-T21翼型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn),得到了翼型在自由轉(zhuǎn)捩工況和固定轉(zhuǎn)捩工況下的氣動(dòng)性能,并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與丹麥DTU和RIS(O)實(shí)驗(yàn)室風(fēng)力機(jī)翼型專用CFD軟件EllipSys2D和XFOIL計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較,驗(yàn)證了本文所提出的翼型設(shè)計(jì)理論和

8、方法的正確性和有效性;此外,與DU93-W-210翼型的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果顯示在兩種運(yùn)行工況下,CQU-DTU-T21翼型幾乎在整個(gè)攻角范圍內(nèi)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(yīng)用基礎(chǔ)。
　　 6)基于動(dòng)量理論和葉素理論,結(jié)合Shen葉尖修正模型,建立了風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)性能計(jì)算模型;分析了葉片設(shè)計(jì)時(shí)采用的葛勞渥(Glauert)模型和Wilson模型的優(yōu)缺點(diǎn),通過對(duì)葉片氣動(dòng)性能計(jì)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(fēng)輪實(shí)度同功率的優(yōu)化結(jié)合起來,建立了葉片與翼型的協(xié)同設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型,從而將葉片設(shè)計(jì)和翼型優(yōu)化統(tǒng)一起來。通過對(duì)某5MW葉片的重新設(shè)計(jì)和性能比較分析,驗(yàn)證了該方法的優(yōu)越性。
　　 7)對(duì)目前的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪優(yōu)化模型進(jìn)行了比較分析,采用了基于能量成本的風(fēng)力機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型,基于翼型噪聲預(yù)測(cè)模型,建立了風(fēng)力機(jī)的噪聲計(jì)算模型,選擇CQU-DTU-B系列翼型,以風(fēng)能能量成本為優(yōu)化目標(biāo),考慮葉片的載荷特性