分離式尾緣襟翼風(fēng)力機葉片氣動性能分析及優(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)力機的捕風(fēng)效率，進而降低風(fēng)力發(fā)電成本，有必要對風(fēng)力機組進行優(yōu)化設(shè)計。風(fēng)力機葉片是風(fēng)力機中最重要的關(guān)鍵部件之一，風(fēng)力機葉片性能的好壞決定著風(fēng)力機的捕風(fēng)能力及運行壽命。目前國內(nèi)外學(xué)者對風(fēng)力機葉片優(yōu)化方法進行了廣泛研究，現(xiàn)有葉片優(yōu)化方法已經(jīng)趨于成

2、熟，如單純對風(fēng)力機葉片的翼型參數(shù)優(yōu)化對于風(fēng)力機的捕風(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)力機的捕風(fēng)能力。在眾多的結(jié)構(gòu)改造方法之中，風(fēng)力機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)力機的氣動性能，提高其捕風(fēng)能力，還可對風(fēng)力機的功率及載荷進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)和控制，能有效的提高低風(fēng)速時的捕風(fēng)能力并降低高風(fēng)速時風(fēng)力機的載荷，在風(fēng)頻變化較快時還可以起到輔助變槳作用，在提高風(fēng)力機年發(fā)電量的同時，降低了風(fēng)力機的運行維護成本

3、并延長了風(fēng)力機的使用壽命。因此，對于帶分離式尾緣襟翼的風(fēng)力機翼型氣動性能分析及優(yōu)化研究具有重要的意義。
　　本文在認真研讀國內(nèi)外相關(guān)研究文獻資料的基礎(chǔ)上，以水平軸風(fēng)力機葉片作為研究對象，對帶分離式尾緣襟翼的二維風(fēng)力機翼型及帶分離式尾緣襟翼的三維風(fēng)力機葉片氣動性能及優(yōu)化方法進行了深入系統(tǒng)的研究，主要研究工作包括:
　　(1)風(fēng)力機空氣動力計算及優(yōu)化設(shè)計理論。深入研究并推導(dǎo)了改進的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的BEM理論耦合模型;研究了計算流體力學(xué)中的SST k-ω模型。
　　(2)二維帶分離式尾緣襟翼風(fēng)力機翼型氣動性能分析。以翼型S809為研究對象，建立了翼型S809分離式尾緣襟翼系列模型，采用SST k-ω模型對添加尾緣襟翼的風(fēng)力機翼型氣動性能進行數(shù)值計算及對比分析，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風(fēng)力機翼型氣動性能的影響。初步確定了襟翼長度、襟翼偏

5、轉(zhuǎn)角度、襟翼縫隙大小對風(fēng)力機二維翼型氣動性能的影響規(guī)律。
　　(3)基于支持向量機數(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)力機翼型氣動性能數(shù)據(jù)，采用支持向量機數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)建立襟翼參數(shù)與翼型氣動性能之間的函數(shù)關(guān)系，將離散的氣動性能數(shù)值計算數(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)化目標函數(shù)，采用群智能優(yōu)化算法中的粒子群優(yōu)化方法對翼

6、型襟翼參數(shù)進行優(yōu)化，得到翼型氣動性能最優(yōu)的襟翼參數(shù)及其對應(yīng)的翼型氣動性能，為三維帶襟翼風(fēng)力機葉片的優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。
　　(4)三維帶襟翼風(fēng)力機氣動性能分析。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方法對其進行氣動性能計算，同時采用改進的BEM理論對其進行氣動性能計算并比較，結(jié)果表明CFD方法及改進的BEM理論均可對帶襟翼的風(fēng)力機進行氣動性能計算分析，與實驗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)點可以更進一步研究流場的細節(jié)，而改進的BEM理論可以迅速計算出風(fēng)力機氣動性能，占用的計算資源較少。帶襟翼風(fēng)力機葉片與不帶襟翼風(fēng)力機葉片比較可看出帶襟翼的風(fēng)力機捕風(fēng)能力明顯增強，尤其是低風(fēng)速情況下，風(fēng)力機的啟動風(fēng)速也由之前的5m/s降為3m/s，使風(fēng)力機適用風(fēng)速范圍更寬，從而提高年發(fā)電量。
　　(5)帶襟翼的風(fēng)力機葉片設(shè)計及優(yōu)化研究。研究了風(fēng)力機葉片的常用設(shè)計方法，采用改進的BEM理論方法對600kW定速定槳型風(fēng)

8、力機進行設(shè)計并與原風(fēng)力機葉片進行比較，證明了設(shè)計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其進行優(yōu)化，結(jié)果表明權(quán)重取0.5時，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600kW定速定槳帶襟翼風(fēng)力機進行設(shè)計和優(yōu)化，結(jié)果表明帶襟翼的風(fēng)力機低風(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％。進而對1.5MW變速變槳風(fēng)力機進行帶