風(fēng)力機翼型通用型線理論及葉片形狀優(yōu)化研究.pdf

1、風(fēng)電技術(shù)是集空氣動力學(xué)、材料力學(xué)、工藝制造學(xué)、氣象學(xué)、電機學(xué)、自動控制學(xué)、電力傳輸、保護與控制等多學(xué)科于一體的綜合性技術(shù)，經(jīng)過近一個世紀的發(fā)展，已迅速成為初具規(guī)模的新興產(chǎn)業(yè)，市場潛力非常巨大。中國風(fēng)力發(fā)電發(fā)展了20多年，風(fēng)力發(fā)電量僅占全國電力總量的極少部分，國內(nèi)風(fēng)電發(fā)展水平明顯滯后歐美發(fā)達國家。按照國家規(guī)劃，未來10年我國風(fēng)電裝機容量年增長率將保持在40％以上。葉片作為風(fēng)力機中最關(guān)鍵的部件之一，對其開展創(chuàng)新性的研究工作，設(shè)計研究出新型、

2、高效的翼型以及葉片就顯得尤為必要。
　　 在國家自然科學(xué)基金項目(編號：50775227)和重慶市自然科學(xué)基金重點項目(編號：CSTC，2008BC3029)資助下，本文提出了“風(fēng)力機翼型通用型線理論及葉片形狀優(yōu)化研究”的研究課題。在綜合國際國內(nèi)相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，對表征風(fēng)力機翼型型線本質(zhì)特征的根本因素—翼型型線的函數(shù)表達式構(gòu)成方式以及葉片的形狀進行了創(chuàng)新性研究。從翼型型線出發(fā)，集成現(xiàn)有翼型的共有特性，提出了翼型的通用表達式，設(shè)計

3、出了性能優(yōu)越的風(fēng)力機翼型。從葉片的形狀和結(jié)構(gòu)特性出發(fā)，以葉片形狀參數(shù)為變量，優(yōu)化設(shè)計出了高效的風(fēng)力機葉片。論文完成的主要研究工作和取得的研究成果主要有：
　　 1)在葉片翼型的研究中，提出了翼型型線的集成設(shè)計理論和方法，研究了保角變換理論及其在翼型設(shè)計過程中的應(yīng)用，引入了級數(shù)思想，推導(dǎo)出了能夠廣泛應(yīng)用的翼型集成的級數(shù)表達形式，構(gòu)造出了三種典型的翼型曲線，最后對常用的翼型進行了集成表達，并比較分析了級數(shù)項對翼型形狀的影響，驗證了函

4、數(shù)表達方程的集成性和通用性。
　　 2)研究了風(fēng)力機翼型周圍流場的變化規(guī)律，對翼型的空氣動力學(xué)特性參數(shù)：壓強分布系數(shù)、升力系數(shù)、阻力系數(shù)以及俯仰力矩系數(shù)等進行了理論計算分析。并對翼型的靜態(tài)失速、動態(tài)失速以及表面粗糙度敏感度等現(xiàn)象進行了研究，探討了翼型各氣動特性參數(shù)和翼型入流攻角之間的變化關(guān)系。在原程序基礎(chǔ)上，應(yīng)用FORTRAN匯編語言對XFOIL軟件進行了二次開發(fā)，實現(xiàn)了翼型氣動性能的自動運行計算。
　　 3)針對提出的

5、翼型型線函數(shù)表征式，將翼型的參數(shù)化優(yōu)化轉(zhuǎn)變成函數(shù)化優(yōu)化，比起傳統(tǒng)的反設(shè)計方法，提出了一種更為全局性的直接、高效的全新翼型優(yōu)化設(shè)計方法。以翼型的升阻比為目標，以翼型表征式的系數(shù)為設(shè)計變量，建立了翼型的優(yōu)化設(shè)計模型，設(shè)計得到了性能較為優(yōu)越的翼型。在相同雷諾數(shù)和相對厚度下，對優(yōu)化翼型和工業(yè)中的現(xiàn)有翼型進行了性能計算比較。同時分別研究了翼型在紊流和湍流下壓強，升力以及阻力的變化關(guān)系。
　　 4)研究了風(fēng)力機的動量葉素理論，對比分析了目前

6、已有的風(fēng)輪葉尖損失因子修正模型?；趥鹘y(tǒng)的風(fēng)力機空氣動力學(xué)以及Shen葉尖損失因子修正模型推導(dǎo)給出了新的風(fēng)力機軸向因子和周向因子的計算模型，應(yīng)用該模型對歐盟實驗項目(MEXICO)的風(fēng)輪進行了計算，給出了該風(fēng)輪的誘導(dǎo)因子、法向力系數(shù)、切向力系數(shù)以及輸出功率等空氣動力學(xué)特性。為了進一步驗證該模型的可靠性，將該風(fēng)輪的理論計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)進行了比較，結(jié)果的吻合證明了該模型的準確性。
　　 5)針對風(fēng)力機葉片，建立其結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程，推

7、導(dǎo)分析了葉片旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的振動速度及其對來流的影響?；贐EM(Blade Element Momentum)理論，在風(fēng)力機空氣動力學(xué)基礎(chǔ)上，建立了風(fēng)力機的氣動耦合分析模型。分析計算葉片在額定工作風(fēng)速下的振動變形、速度、加速度以及葉片沿展向的變形和載荷分布。充分考慮葉片的結(jié)構(gòu)振動特性與來流風(fēng)速的耦合效應(yīng)，使得風(fēng)力機空氣動力學(xué)特性模型變得更加準確。
　　 6)在風(fēng)力機優(yōu)化設(shè)計過程中，考慮了法向力和切向力的葉尖損失，建立了風(fēng)力機葉片的