大型海上風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究.pdf

1、環(huán)境友好地發(fā)展是全人類的共同使命，全球氣候變暖以及能源危機(jī)促使增加可再生能源比率成為全世界的共識(shí)。中國(guó)政府承諾非石化能源占總能源消耗的比例在2030年達(dá)到20％，中國(guó)有望在2020年成為全球海上風(fēng)電利用第一大國(guó)。風(fēng)力機(jī)整機(jī)最基礎(chǔ)的部件是葉片，它決定整機(jī)功率系數(shù)和設(shè)計(jì)載荷等關(guān)鍵參數(shù)。然而，隨著風(fēng)力機(jī)朝著大型化和海上發(fā)展，葉片的尺寸越來越大，其精確氣動(dòng)計(jì)算、氣動(dòng)外形和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都面臨新的挑戰(zhàn)。
　　本文在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于參數(shù)化

2、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”（編號(hào)：51175526）、國(guó)家高技術(shù)研究發(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”（編號(hào)：2012AA051301）、中國(guó)國(guó)家留學(xué)基金委的資助下，同時(shí)在丹麥戰(zhàn)略研究委員會(huì)“OffWindChina”項(xiàng)目（編號(hào)：0603-00506B）的幫助下，針對(duì)“大型海上風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究”這一課題做了相關(guān)研究?；诖笮秃Ｉ巷L(fēng)力機(jī)葉片的特點(diǎn)，分別為2MW和5MW海上風(fēng)力機(jī)葉片的主要功率

3、產(chǎn)生區(qū)設(shè)計(jì)了新翼型；開發(fā)了高精度葉片氣動(dòng)性能計(jì)算理論模型，并與MEXICO風(fēng)力機(jī)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比；基于新開發(fā)的氣動(dòng)模型，對(duì)5MW風(fēng)力機(jī)葉片的氣動(dòng)外形進(jìn)行設(shè)計(jì)；基于新氣動(dòng)外形和中國(guó)某地海上風(fēng)資源狀況，對(duì)5MW風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。論文完成的主要研究工作和取得的相關(guān)研究成果有：
　　①首先，根據(jù)典型2MW風(fēng)力機(jī)葉片的雷諾數(shù)要求及海上風(fēng)場(chǎng)的光滑翼面條件，基于翼型集成表達(dá)理論和CFD工具，采用改進(jìn)的遺傳算法對(duì)相對(duì)厚度為18%的翼型

4、進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。編程集成ICEM和FLUENT，并完成翼型生成、大變形網(wǎng)格重構(gòu)、邊界條件生成和流場(chǎng)解算。結(jié)果表明本平臺(tái)設(shè)計(jì)的翼型在設(shè)計(jì)、非設(shè)計(jì)工況下以及主要攻角范圍內(nèi)有較高升力系數(shù)和升阻比。其次，根據(jù)5 MW風(fēng)力機(jī)葉片的實(shí)際雷諾數(shù)條件、實(shí)際符合材料鋪層布置以及海上風(fēng)場(chǎng)的低粗糙度敏感性要求，基于經(jīng)典層合板理論對(duì)翼型的氣動(dòng)性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化目標(biāo)除了追求高升力系數(shù)和高升阻比以外，還考慮了翼型失速后升力系數(shù)的下降平緩度的要求，

5、而后者對(duì)于葉片疲勞壽命影響重大，也是常用商用風(fēng)力機(jī)翼型的隱含特點(diǎn)。新翼型的升力系數(shù)高、升阻比大、失速后升力系數(shù)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)性能良好，為設(shè)計(jì)氣動(dòng)性能好、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的大型海上風(fēng)力機(jī)葉片打好基礎(chǔ)。
　?、谌~素動(dòng)量（Blade Element Momentum,BEM）理論被廣泛應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能預(yù)測(cè)和優(yōu)化設(shè)計(jì)中。不動(dòng)點(diǎn)迭代法是求解BEM方程最常用的方法。然而有時(shí)迭代求解不能收斂于物理解，尤其靠近葉尖和葉根部位的不收斂概率非常高。導(dǎo)致氣

6、動(dòng)計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和精度被大大降低，此不利結(jié)果在大型風(fēng)力機(jī)葉片上會(huì)被放大。通過理論分析和數(shù)值測(cè)試探索了導(dǎo)致不收斂現(xiàn)象的內(nèi)部機(jī)理。當(dāng)初始入流角被設(shè)定為大于臨界入流角，且采用松弛因子策略時(shí)，迭代計(jì)算的收斂能力會(huì)有很大提高。并且對(duì)由不同的局部速比、局部實(shí)度、局部扭角和翼型組合而成的一系列算例進(jìn)行了計(jì)算測(cè)試。結(jié)果表明改進(jìn)的不動(dòng)點(diǎn)迭代法有很好的收斂能力，提高了大型葉片氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。
　　③傳統(tǒng)BEM理論的計(jì)算精度并不是非常高

7、，其通常會(huì)低估葉片葉根處的受力且高估葉尖處的受力，進(jìn)而降低氣動(dòng)計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)的可靠性。對(duì)于大型風(fēng)力機(jī)的超長(zhǎng)葉片而言，傳統(tǒng)BEM理論的缺陷會(huì)被放大，為葉片設(shè)計(jì)帶來較大誤差。為了給大型風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)提供精確地氣動(dòng)計(jì)算工具，本文開發(fā)了一種新的葉素動(dòng)量理論，其在動(dòng)量理論中考慮了由尾流旋轉(zhuǎn)引起的壓力降低和風(fēng)輪氣動(dòng)盤處的徑向速度的影響。因此，風(fēng)輪氣動(dòng)盤處的軸向誘導(dǎo)因子不是無限遠(yuǎn)尾流處的一半。新的葉素動(dòng)量理論考慮了Glauert葉尖損失模型和Shen

8、葉尖損失模型。通過對(duì)MEXICO實(shí)驗(yàn)風(fēng)力機(jī)做計(jì)算測(cè)試，發(fā)現(xiàn)新BEM理論得到了比傳統(tǒng)BEM理論更好的結(jié)果，尤其是在葉尖附近改善更為明顯，這為大型海上風(fēng)力機(jī)葉片的精確設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
　?、芑谛麻_發(fā)的BEM模型，運(yùn)用改進(jìn)的粒子群算法對(duì)大型5MW風(fēng)力機(jī)葉片的扭角分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，優(yōu)化后風(fēng)輪的功率系數(shù)得到了提高，同時(shí)也驗(yàn)證了新設(shè)計(jì)翼型的優(yōu)良?xì)鈩?dòng)性能。優(yōu)化后葉片的最大扭角減小了，扭角沿徑向的變化率降低了，這對(duì)大型風(fēng)力機(jī)葉片的