風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)外形與結(jié)構(gòu)的參數(shù)化耦合設(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(lái)越受到世界各國(guó)的關(guān)注與重視。預(yù)計(jì)未來(lái)20～25年內(nèi)，世界風(fēng)電市場(chǎng)每年將遞增25％。隨著國(guó)家對(duì)風(fēng)力發(fā)電的重視，風(fēng)力機(jī)近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。而葉片是風(fēng)力機(jī)最關(guān)鍵的部件之一，達(dá)到整機(jī)價(jià)值的20%左右，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。
　　在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于參數(shù)化的風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)性能與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)理論（項(xiàng)目編號(hào)：51175526）”和國(guó)家高技術(shù)研究

2、發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)“先進(jìn)風(fēng)力機(jī)翼型族設(shè)計(jì)技術(shù)研究（項(xiàng)目編號(hào)：2012AA051301）”的資助下，本文提出了“風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)外形與結(jié)構(gòu)的參數(shù)化耦合設(shè)計(jì)理論研究”的研究課題。在分析國(guó)內(nèi)外風(fēng)力機(jī)翼型、葉片及結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)彈性研究理論方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)集成現(xiàn)有翼型的基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型泛函集成理論進(jìn)行了深入的研究，提出一種基于翼型表面曲率光滑連續(xù)性思想的翼型改進(jìn)設(shè)計(jì)方法；針對(duì)中等厚度及大厚度翼型，提出一種新的翼型參數(shù)化表征方法，即翼型集成理論

3、與B樣條結(jié)合的翼型集成表達(dá)方式，結(jié)合改進(jìn)的粒子群算法，充分考慮風(fēng)力機(jī)翼型及葉片的空氣動(dòng)力性能要求，設(shè)計(jì)得到性能優(yōu)良的7種不同厚度的標(biāo)準(zhǔn)翼型（相對(duì)厚度從15%～40%）；提出了基于葉片性能與輕量化的風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)方法，并在葉片全部產(chǎn)生功率區(qū)域內(nèi)采用筆者設(shè)計(jì)的7種標(biāo)準(zhǔn)翼型進(jìn)行葉片氣動(dòng)外形優(yōu)化，優(yōu)化得到了高性能輕質(zhì)量的風(fēng)力機(jī)新型葉片；提出了將翼型數(shù)據(jù)、葉片外形參數(shù)及復(fù)合材料葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)集成于葉片可變參數(shù)化解析表示式中，建立了葉片參數(shù)化有限元模

4、型，結(jié)合粒子群算法，對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)在氣動(dòng)載荷作用工況下進(jìn)行了優(yōu)化，其優(yōu)化結(jié)果顯著。從而形成了風(fēng)力機(jī)翼型、葉片及結(jié)構(gòu)自主設(shè)計(jì)的新理論和新方法，使風(fēng)力機(jī)葉片形狀與葉片彈性變形耦合設(shè)計(jì)成為可能。論文完成的主要研究工作和取得的研究成果主要有：
　　1）探討了翼型幾何參數(shù)、氣動(dòng)參數(shù)對(duì)翼型氣動(dòng)性能的影響關(guān)系。對(duì)計(jì)算翼型氣動(dòng)性能的計(jì)算方法進(jìn)行了研究。針對(duì)三種不同厚度的風(fēng)力機(jī)專用翼型 WT180（該翼型為本課題組研發(fā)的一種高性能風(fēng)力機(jī)專用翼型）

5、、DU93-W-210和DU91-W2-250，在相同計(jì)算工況條件下，將RFOIL軟件所計(jì)算出來(lái)的氣動(dòng)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，研究表明RFOIL軟件能夠較好的預(yù)測(cè)翼型的氣動(dòng)性能，適用于翼型的直接設(shè)計(jì)方法，同時(shí)為后文新翼型族的研發(fā)提供有效的氣動(dòng)性能計(jì)算工具。
　　2）為了便于優(yōu)化出性能較高的風(fēng)力機(jī)翼型，依據(jù)目前常用的翼型優(yōu)化算法，繼而引入粒子群算法，對(duì)比了粒子群算法與其他生物進(jìn)化算法的優(yōu)缺點(diǎn)，為了克服粒子群算法在優(yōu)化初期容

6、易陷入局部最優(yōu)解的缺點(diǎn)，提出了一種具有反雙曲余弦函數(shù)形式的非線性慣性權(quán)重表示法，用以改善標(biāo)準(zhǔn)的粒子群算法的性能，并對(duì)此改進(jìn)的粒子群算法進(jìn)行了實(shí)例分析。分析結(jié)果表明，無(wú)論是在尋優(yōu)能力方面，還是在計(jì)算穩(wěn)定性方面，改進(jìn)的粒子群算法都要優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的粒子群算法，從而驗(yàn)證了該改進(jìn)算法的有效性和可行性。為風(fēng)力機(jī)專用翼型的研發(fā)提供了有效的算法基礎(chǔ)。
　　3）在現(xiàn)有翼型泛函集成理論的基礎(chǔ)上，提出一種基于表面曲率光滑連續(xù)性思想的翼型改進(jìn)與設(shè)計(jì)方法。對(duì)荷

7、蘭DU93-W-210翼型進(jìn)行了改進(jìn)與優(yōu)化，研究表明優(yōu)化后的新翼型在升力系數(shù)、升阻比、粗糙度敏感性等氣動(dòng)特性方面要明顯優(yōu)于原翼型。針對(duì)不同厚度的風(fēng)力機(jī)翼型而言，采用不同的翼型型線構(gòu)造方法對(duì)風(fēng)力機(jī)專用翼型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。針對(duì)較薄的風(fēng)力機(jī)翼型族，基于翼型泛函集成設(shè)計(jì)理論，提出了增加設(shè)計(jì)變量參數(shù)從而有效地控制翼型型線輪廓線的翼型設(shè)計(jì)策略。綜合考慮翼型的前緣粗糙度敏感性、非設(shè)計(jì)工況特性、失速特性及噪聲特性等，采用改進(jìn)的粒子群算法耦合 RFO

8、IL軟件對(duì)較薄的翼型族進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了3種相對(duì)厚度較薄的新翼型，分別為 CQU-A150、CQU-A180和CQU-A210翼型；針對(duì)中等厚度及大厚度翼型，提出了翼型泛函集成與B樣條理論結(jié)合的翼型設(shè)計(jì)新方法，主要考慮翼型的結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)特性，采用改進(jìn)的粒子群算法對(duì)中等厚度及大厚度翼型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了4種不同厚度風(fēng)力機(jī)專用翼型，分別為 CQU-A250、CQU-A300、CQU-A350和 CQU-A400翼型。對(duì)這7種翼型進(jìn)行

9、了詳細(xì)的氣動(dòng)性能分析，通過(guò)與目前常用的風(fēng)力機(jī)翼型的比較分析，能夠很好地滿足翼型結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)性能要求的各項(xiàng)指標(biāo)，表明這7種翼型具有較好的氣動(dòng)性能與結(jié)構(gòu)兼容性，從而驗(yàn)證了該方法的可行性與優(yōu)越性。本研究完善了翼型泛函集成設(shè)計(jì)理論，為風(fēng)力機(jī)專用翼型的設(shè)計(jì)研究拓寬了思路，同時(shí)為風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)外形的設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。
　　4）基于風(fēng)力機(jī)空氣空力學(xué)理論，詳細(xì)分析研究了葉片關(guān)鍵參數(shù)（如葉尖速比、風(fēng)輪直徑、雷諾數(shù)、翼型氣動(dòng)性能及葉片載荷等）對(duì)風(fēng)力

10、機(jī)性能的影響；進(jìn)而在整個(gè)葉片設(shè)計(jì)上采用作者全新設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)翼型系列CQU-A，提出以最大功率系數(shù)及最小葉片面積為多目標(biāo)優(yōu)化模型，以弦長(zhǎng)、扭角為設(shè)計(jì)變量，有效控制葉片載荷以提高葉片疲勞壽命，建立新型風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)及優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用該設(shè)計(jì)模型，采用改進(jìn)的多目標(biāo)粒子群算法對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并將優(yōu)化結(jié)果與初始葉片、Tjaere實(shí)驗(yàn)葉片進(jìn)行對(duì)比分析。優(yōu)化結(jié)果表明，相比初始葉片及Tjaere型葉片，新設(shè)計(jì)2MW風(fēng)力機(jī)葉片的最大功率系數(shù)及年

11、發(fā)電量均有所提高，而且葉片表面面積具有顯著的下降，這意味著在其他葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)不變的情況下極大的減少了葉片的質(zhì)量，提高了葉片的疲勞壽命，降低了葉片的材料成本；同時(shí)葉根載荷也得到了有效的控制。該新型葉片的研究為設(shè)計(jì)出高性能輕質(zhì)量低成本的風(fēng)力機(jī)提供了理論依據(jù)。
　　5）在復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片彈性力學(xué)的基礎(chǔ)上，基于復(fù)合材料學(xué)等代設(shè)計(jì)法及機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)中的類比法，對(duì)作者設(shè)計(jì)的2MW風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行了復(fù)合材料初始鋪層設(shè)計(jì)。建立了完整的復(fù)合材料復(fù)雜曲面

12、風(fēng)力機(jī)葉片參數(shù)化有限元模型?；谛拚膭?dòng)量葉素理論，提出了一種新的風(fēng)力機(jī)葉片流固耦合方法，解決了在葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究過(guò)程中氣動(dòng)載荷加載這一關(guān)鍵問(wèn)題。建立了葉片有限元優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，將粒子群算法與有限元方法結(jié)合起來(lái)對(duì)復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。提出了兩種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化結(jié)果表明，在滿足失效準(zhǔn)則及位移約束的條件下，兩種方案對(duì)葉片質(zhì)量的降低均較顯著，而方案二(增加葉片主梁位置作為可變量)對(duì)葉片質(zhì)量的減少更為明顯，表明該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的可行性及

13、優(yōu)越性；最后對(duì)優(yōu)化方案二所設(shè)計(jì)出來(lái)的葉片進(jìn)行了應(yīng)變分析，研究表明優(yōu)化后的葉片滿足強(qiáng)度要求，并指出了葉片最大彎曲應(yīng)變的位置。本研究對(duì)于風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)作用，使風(fēng)力機(jī)翼型、葉片氣動(dòng)外形及結(jié)構(gòu)參數(shù)化一體化設(shè)計(jì)成為可能。
　　6）基于氣動(dòng)彈性理論原理，建立了適用于風(fēng)力機(jī)葉片彈性翼型的氣動(dòng)彈性反饋系統(tǒng)模型。針對(duì)葉片二元翼段，根據(jù)由翼型形狀確定的升力系數(shù)和氣動(dòng)中心、氣流動(dòng)壓與翼型附加扭角的相互影響關(guān)系，導(dǎo)出了風(fēng)力機(jī)翼型扭

14、轉(zhuǎn)發(fā)散的臨界條件，翼型升力與彈性扭角的耦合關(guān)系，獲得了氣動(dòng)彈性載荷重分布的迭代模型。重點(diǎn)研究了不同翼型（包括筆者設(shè)計(jì)的CQU-A180翼型）對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片二元翼段的靜氣動(dòng)彈性的影響，在其他條件不變的情況下對(duì)比分析了3種不同的翼型對(duì)葉片的附加扭角、氣動(dòng)彈性升力分布的影響特性。研究表明，當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度較小時(shí)，翼型的形狀對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片二元翼段的氣動(dòng)彈性反饋系統(tǒng)有一定的影響，同時(shí)也驗(yàn)證了筆者設(shè)計(jì)的CQU-A180翼型氣動(dòng)彈性特性的合理性。此研究對(duì)于大型