毕业论文-小型风力发电机叶片设计及仿真分析06490.pdf

尘型匝左发垫狃吐虚遮i 土区鱼真金盘 论文作者签名：瞳蕴茎 指导教师签名： 论文评阅人1 ： 评阅人2 ： 评阅人3 ： 评阅人4 ： 评阅人5 ： 答辩委员会主席： 委员1 ： 委员2 ： 委员3 ： 委员4 ： 委员5 ： _ 一 _ 一 a u t h o r ss i g n a t u r e ： 一 s u p e r v i s o r 7 ss i g n a t u r e ： t h e s i sr e v i e w e r1 ： t h e s i sr e v i e w e r2 ： t h e s i sr e v i e w e r3 ： t h e s i sr e v i e w e r4 t h e s i sr e v i e w e r5 ： c h a i r ： 坠i 曼坠型坌卫g ! q f 垒墨墨q ( c o m m i t t e eo fo r a ld e f e n s e ) c o m m i t t e e m a n1 ： c o m m i t t e e m a n2 ： c o m m i t t e e m a n3 ： c o m m i t t e e m a n4 c o m m i t t e e m a n5 ： d a t eo f o r a ld e f e n s e ：丛堑出窆，2 q 1 2 浙江大学硕七学位论文摘要 摘要 随着风电技术在全球范围内的发展，风力发电机的应用越来越广，同时对技 术的要求也越来越高。叶片是风力发电机的关键零件之一，其设计的好坏关系到 风机的性能、发电效率和使用寿命。 本文以嘉兴联宜风能设备有限公司生产的小型水平轴风力发电机叶片为研 究对象，按照风机叶片设计的相关理论和方法，在w i l s o n 模型的基础上对叶片 气动外形设计进行了研究，并在s o l i d w o r k s 平台上开发了叶片气动外形优化设 计及建模的应用系统。根据输入的设计参数自动生成叶片的三维实体模型，省去 了以往设计过程中生成的大量数据的转换和存储，实现了叶片的高效，智能化设 计，能够大大缩短设计周期，降低开发成本。 利用c f d 软件对设计好的叶片模型进行了流场仿真分析，对叶片的气动性 能进行了预测和评估，并对设计结果进行验证，同时应用大型有限元分析软件对 企业现有产品的结构铺层进行仿真分析，包括静力分析和振动模态分析，从而校 核叶片的强度和动态性能，为企业优化设计产品提供了依据，并省去了大量的实 验和装置，提高了设计效率，同时提高了企业的竞争力。 本论文的研究具有一定的理论和现实意义，为风力发电机叶片的设计制造提 供了一个新的体系结构和实现方法，具有重要的工程应用价值。 关键词：风力机；叶片；气动外形设计；二次开发；仿真 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i n dp o w e rt e c h n o l o g yi nt h ec o n t e x to ft h eg l o b a l w i n d t u r b i n e sa r ea p p l i e dm o r ea n dm o r ew i d e l yt o g e t h e rw i t hh i g h e rt e c h n o l o g i c a l r e q u i r e m e n t s b l a d ei so n eo ft h ek e yp a r t so fw i n dt u r b i n e ；i t sd e s i g nq u a l i t yi s r e l a t e dc l o s e l yw i t ht h ep e r f o r m a n c e ，p o w e re f f i c i e n c ya n ds e r v i c el i f eo fw i i l d t u r b i n e t h er e s e a r c ho b j e c tu s e di nt h ed i s s e r t a t i o nw a ss m a l lh o r i z o n t a la x i sw i n dt u r b i n e b l a d e sp r o d u c e db yj i a x i n gm a x w i n dc o ，l t d a e r o d y n a m i cc o n t o u rd e s i g no ft h e b l a d ew a sr e s e a r c h e db a s e do nt h ew i l s o nm o d e lr e f e r r i n gt ot h er e l e v a n c et h e o r i e s a n dm e t h o d s ad e s i g na n dm o d e l i n gp r o g r a mf o rt h eb l a d ew a sd e v e l o p e do nt h e p l a t f o r mo fs o l i d w o r k s t h e3 ds o l i dm o d e l c a nb e a u t o m a t i c a l l yg e n e r a t e d a c c o r d i n gt o t h e i n p u td e s i g np a r a m e t e r s t h i sm e t h o dr e a l i z e de f f i c i e n ta n d i n t e l l i g e n td e s i g nf o rt h ew i n dt u r b i n eb l a d ea si to m i t t e dt h et r a n s f o r m a t i o na n d s t o r a g eo ft h em a s sd a t ap r o d u c e di np r e v i o u sd e s i g np r o c e s s i tc a ng r e a t l ys h o r t e n t h ed e s i g nc y c l e sa n dr e d u c ed e v e l o p m e n tc o s t s t ov e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h ed e s i g n , t h ef l o w f i e l ds i m u l a t i o na n a l y s i sw a sc a r d e do n t h eb l a d eu s i n gc f ds o f t w a r et oc a l c u l a t ea n de v a l u a t et h ea e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e o ft h eb l a d e i na d d i t i o n , t h el a r g ef m i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y sw a s a d o p t e dt os i m u l a t ea n da n a l y z et h es t r u c t u r ep e r f o r m a n c eo ft h eb l a d ea c c o r d i n gt o t h ea c t u a lp r o d u c ts t r u c t u r el a y e r s ，i n c l u d i n gt h es t a t i ca n a l y s i sa n dv i b r a t i o nm o d a l a n a l y s i s t h e s es i m u l a t i o n sc h e c k e ds t r e n g t ha n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h eb l a d e a n dp r o v i d e dab a s i sf o rt h ee n t e r p r i s e st ow o r ko nt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h e b l a d e s t h e yc o u l da l s os a v eal o to fe x p e r i m e n t sa n dd e v i c e s ，h e l pt oi m p r o v et h e d e s i g ne f f i c i e n c ya n di m p r o v et h ec o m p e t i t i v e n e s so fe n t e r p r i s e s t h i s s t u d yh a s c e r t a i nt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i t p r o v i d e san e w a r c h i t e c t u r ea n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d sf o rt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fw i i l d t u r b i n eb l a d e ，s oi th a sah i 曲a p p l i c a t i o nv a l u e k e y w o r d s ：w r i i ：l dt u r b i n e ；b l a d e ；a e r o d y n a m i c c o n t o u r d e s i g n ；c u s t o m i z e d d e v e l o p m e n t ；s i m u l a t i o n i i i 浙江人学硕士学位论文 目录 目录 致谢i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录i v 11 ；自；论1 1 1 引言。1 1 2 风力发电机叶片关键技术的国内外研究现状4 1 2 1 风力发电机叶片翼型的研究现状。4 1 2 2 叶片设计及建模技术研究现状。5 1 2 3 叶片气动性能数值模拟研究现状6 1 2 4 叶片结构设计及仿真技术研究现状。7 1 3 课题来源及研究意义9 1 4 论文的主要研究内容及章节安排1 0 1 5 本章小结1 0 2 风力发电机叶片设计基本概念及原理1 2 2 1 风力发电机叶片基本概念1 2 2 1 1 翼型几何参数12 2 1 2 翼型的空气动力学特性1 3 2 2 风机设计的相关理论l5 2 2 1 贝茨( b e t z ) 理论15 2 2 2 扩展的叶素一一动量理论1 6 2 2 2 1 叶素理论17 2 2 2 2 动量理论18 2 2 2 3 叶素动量理论1 9 2 2 3w i l s o n 模型2 0 2 3 叶片气动外形优化设计模型2 0 2 4 本章小结2 2 3 叶片气动外形设计实现方法2 3 i v 浙江大学硕士学位论文目录 3 1 叶片气动设计的基本内容2 3 3 2 风轮设计参数确定2 4 3 2 1 风轮功率p 及设计风速n 2 4 3 2 2 风能利用系数c p 2 4 3 2 3 风轮直径d 2 4 3 2 4 尖速比如和叶片数目b 2 4 3 2 5 确定翼型及其气动特性参数2 5 3 3 弦长和扭角的优化设计及修正2 6 3 3 1m a t l a b 优化计算2 6 3 3 2 弦长和扭角修正_ 。2 8 3 4 空间坐标转换3 0 3 5 本章小结31 4 基于s o l i d w o r k s 二次开发的风机叶片设计及建模3 2 4 1 二次开发介绍3 2 4 1 1 s o l i d w o r k s 二次开发工具3 2 4 1 2 基于v b 进行s o l i d w o r k s 二次开发的基本方法3 3 4 1 3 主要涉及的a p i 对象及函数3 4 4 2 创建s o l i d w o r k s 二次开发插件3 5 4 3 叶片设计功能模快的二次开发3 7 4 3 1 参数输入及截面划分模块3 7 4 3 2 优化计算及空问曲线生成模块3 8 4 3 2 1 优化计算3 8 4 3 2 2 空间曲线生成。4 5 4 3 3 叶片三维模型生成模块4 8 4 4 本章小结4 8 5 叶片仿真分析4 9 5 1c f d 气动性能数值模拟4 9 5 1 1 风场模型建立4 9 5 1 2 网格划分5 0 v 浙江大学硕十学位论文目录 5 1 3 边界条件设置5 2 5 1 4 求解选择及参数设置5 3 5 1 5 结果讨论与分析5 3 5 1 5 1 流场分析5 3 5 1 5 2 气动性能计算。5 6 5 2 叶片结构铺层的有限元分析5 7 5 2 1 有限元模型建立5 8 5 2 2 网格划分5 9 5 2 3 求解及结果分析6 0 5 2 3 1 静力分析6 0 5 2 3 2 模态分析6 2 5 3 本章小结6 4 6 总结与展望6 5 6 1 全文总结6 5 6 2 未来工作展望6 6 参考文献6 7 作者简介及在学期间取得的科研成果。7 2 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 绪论 1 1 引言 目前全球气候变暖、环境污染和能源短缺问题变得日益突出，世界上的主要 国家都在积极寻求发展新能源和可再生能源，大力提倡“低碳经济”，为建设资 源节约型和环境友好型社会，培育新的经济增长点而不懈努力。不管是国际资本， 还是国内企业，都瞄准了新能源和可再生能源产业这块“大蛋糕”。风能作为一 种清洁的可再生能源，已经越来越受到世界各国的重视。全球风能的蕴藏量巨大， 根据风力发电行业分析报告显示全球风能资源总量约为2 7 4 x 1 0 9 兆瓦，其中可利 用的风能为2 x 1 0 7 兆瓦。至j j 2 0 1 0 年底，全球风电总装机容量近2 0 万兆瓦，发电量 占世界电力总发电量近2 ，已成为全球电能的重要来源。我国的风能储量也很 大、分布面也比较广，拥有巨大的开发利用潜力。 风力发电机( 简称风力机) 是将风能转化为电能的机械装置。风轮是风力机 组最主要的部件，由叶片安装在轮毂上组成。叶片具有特殊的空气动力外形，在 气流作用下能产生促使风轮旋转的空气动力，将风能首先转换成旋转机械能，然 后再通过齿轮箱增速，利用驱动轴驱动发电机发电，最终将机械能转变成电能。 风力发电机按风轮主轴安装形式分为两种类型：水平轴风力机和垂直轴风力机， 如图1 1 所示。 ( a ) 水平轴风力发电机( b ) 垂直轴风力发电机 图1 1 风力发电机的两种类型 垂直轴风力机风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向，在风向改变的时候不 需要调向装置，发电机不需要放置在高空，可以使结构简化，在这点上相对于水 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 平轴风力机是一大优势，但是这类发电机启动性能较差，效率低，技术不成熟， 目前应用范围较小。水平轴风力机风轮的旋转轴于风向平行，因其效率比较高， 技术比较成熟，现在大型风力发电机大多采用水平轴风力发电机。本文针对小型 水平轴风力发电机展开了研究。 目前，世界上凡风能比较丰富的国家都在积极发展大型风力发电机，建立风 电场，并网发电。丹麦的l m 公司，是全球风力发电最大的集团，对复合材料叶 片进行专业化的生产，其产品占据世界风电市场的4 5 。另外一些著名的大风力 机制造商像丹麦的b o n u s 公司、西班牙的g a m e s a z , 及德国的e n e r e o n z , 等也 开始为自己生产配套的玻璃钢叶片，这些风力发电技术先进的国家也在不断的推 进风力机的创新，力求能够更加充分地利用风能资源，降低风力发电机的综合成 本，其主流的商品化机型均呈现大型化的趋势。风力发电机叶片技术也有了许多 新的进展，叶片的设计制造技术、数值仿真技术和检测试验技术水平越来越高。 目前全球风电制造技术的发展主要呈现出如下几个特点：1 、单机从小容 量向大容量发展；2 、定桨距向变桨距、变频恒频发展；3 、陆上风力发电向海上 风力发电扩展；4 、部件的性能和质量得到提高，成本逐渐下降；5 、风电场的建 设和运营技术水平逐步提高；6 、标准和规范逐步完善。 我国幅员辽阔，是一个风能资源丰富的国家，其中东北、西北、华北和东南 沿海地区为风能资源丰富区，跨全国2 1 个省、市、自治区。我国的风力发电产 业起步较晚，但是发展相对比较快。近1 0 年来，尤其是2 0 0 7 年以来，中国风电 产业规模更是呈现出暴发式增长态势。2 0 1 0 年我国累计风电装机容量已经突破4 万兆瓦，新增装机容量达全球新增装机容量的4 8 ，超过美国，成为世界最大的 风电市场。“十一五”期间，中国的并网风电得到迅速发展，风电技术逐步成熟， 稳步提升，发展前景广阔。但是从总体上来看，我国的风力发电机关键技术的基 础研究工作开展较少，自主创新能力还比较薄弱，缺乏完全自主知识产权的核心 技术【2 1 ，核心零部件研发进展缓慢，许多关键零部件依然需要进1 ：2 或与外商合作 生产，而国外生产商对核心技术封锁，关键技术受制于人【3 1 。目前，我国风力发 电机组相关零件的生产，特别是风力发电机叶片的生产，还主要以仿制国外的产 品为主，没有形成自己的一套风力发电机设计理论和技术，大部分靠引进国外技 术，如广东明阳、浙江华仪、国电联合动力的1 5 0 0 k w 机组，上海电气的2 0 0 0 k w 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 等公司都是采取这种方式引进的，还有的是购买国外成熟的风电技术在国内进行 生产，如东方汽轮机、华锐风电的1 5 0 0 k w 风电机组，金风科技和浙江运达的 7 5 0 k w 等。因此研究风力发电机的设计方法及性能分析，提高企业自主创新能力 和核心竞争力势在必行。 叶片是风力发电机组的关键零件之一，叶片设计的性能好坏、质量优劣也是 关系到风力发电机能否正常稳定运行的决定性因素。设计优良的叶片能够有效地 控制风载荷，使用寿命长，相对成本较低，同时能最大限度地提高风力发电机的 捕风效率。 风机获取功率的大小取决于叶片的气动性能，因此，气动性能的好坏对风轮 是至关重要的，而叶片的气动性能又取决于叶片的外形几何形状。在叶片设计的 过程中，需要不断对叶片的气动外形进行优化设计，通过反复的气动性能模拟与 实验对设计参数进行修改，最终使叶片性能达到最优的效果【4 1 。传统叶片的气动 性能检测都是通过风洞实验来实现，但是风洞实验的装置比较复杂，实验周期长， 成本高，尤其现在大型风力机叶片长度已经达到5 0 米以上，对实验装置要求更高， 使得许多叶片的气动性能很难直接通过实验来获取。如果能够利用相关的软件对 叶片进行设计和数值模拟计算，则可以大大提高设计效率并且方便地获得叶片的 相关气动性能。由于国内的风力发电处于起步的阶段，风力机特性分析和设计方 面的软件比较少，还缺乏综合的风力机辅助设计和制造软件，大部分采用国外软 件计算，而国外软件大多价格昂贵，对于中小企业难以负担，因此对风力机叶片 外形设计程序进行开发与三维气动性能的数值分析，具有很好的应用价值。 除了气动性能，叶片的结构性能也是非常重要的，关系到叶片的使用质量和 寿命。随着风力机使用范围的扩大，叶片的工作环境也变得异常复杂，对叶片结 构强度和动态响应等性能提出了更高的要求，另外目前叶片多采用复合材料，这 使得叶片内部铺层结构变得更加复杂，更增加了结构设计和性能分析难度。从国 内外风力发电机的应用情况来看，设计过程中对叶片强度、稳定性等问题的研究 还不够，造成风机不能正常运行，甚至失效和损坏的例子屡见不鲜，往往造成巨 大的经济损失。因此，需要对风力机叶片进行强度校核及动态性能分析，找出最 容易损坏的部位，避免因为共振而造成组件的破坏，为叶片设计提供依据，保证 风力机设计的经济性和使用的安全性。 3 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 2 风力发电机叶片关键技术的国内外研究现状 1 2 1 风力发电机叶片翼型的研究现状 风力发电机叶片的翼型对于风机整体的功率特性和载荷特性具有决定性的 作用。风机翼型的发展来源于航空翼型，如n a c a 2 3 x x 、n a c a 4 4 ( 系列翼型 族，因为这些翼型有比较高的升力系数、低阻力、低扭矩等特性【5 1 。随着风力发 电机技术的发展，人们逐步发现传统翼型并不适合高性能叶片设计。自2 0 世纪 8 0 年代起，国外多家机构相继研发了风力发电机专用翼型，具有代表性的有美 国的n r e l 系列、瑞典f f a w 系列、荷兰的d u 系列、丹麦的r i s o 系列1 6 。 新型翼型族的一个通用的性能要求是翼型要表现出较高的最大升力系数，对粗糙 度敏感性相对比较弱。美国国家可再生能源实验室( n r e l ) 的t a n g l e r 和s o m e r s 开发了n r e l 翼型，该翼型族具有较大的升阻比并且对粗糙度不敏感，可以有 效减少因叶片表面的粗糙而造成的风轮功率损失，使得年能源利用率得到了改 善，同时他们还提出了翼型的反设计法【7 】。瑞典的f f a w 系列翼型的优点是在 设计工况下具有较高的升阻比和最大升力系数，捕风效率高，并且在非设计工况 下具有较好的失速性能【8 1 9 1 ，目前f f a 翼型已经在l m 公司生产的大型风力机 上使用。r i s o 翼型族目前有a 1 、p 、b 1 三个系列翼型，其设计方法主要运用 c f d 技术和数值优化理论进行设计，并用v e l u x 风洞实验验- i , e 1 0 】。f u g l s a n gp b a kc 等人设计了不同速度和不同安装角下的r i s o b 1 翼型族，并对r s o b 1 1 8 和r i s o b 1 2 4 两种翼型做了风洞试验，通过试验测定两种翼型的最大升力系数 分别为1 6 4 和1 6 2 ，两者的粗糙度敏感性均比较低【1 1 】 国内在风力发电机组翼型设计方面还比较欠缺，具有代表性的有气动中心对 传统风力机常用的航空翼型n a c a 4 4 和n a c a 6 4 等几种系列在低雷诺数、大攻角 下的气动性能进行的风洞实验研究1 1 2 】。西华大学的毛金铎等【1 3 】应用c f d 流体软 件对f f a w 3 2 1 1 进行了数值分析，在不考虑粗糙度的前提下，得出了翼型的升 力和阻力系数、升阻比以及翼型表面的压力分布随攻角变化的关系，根据计算结 果分析了翼型的气动性能。空气动力学研究发展中心黎作武【1 4 】等对大型风力机 叶片专用翼型族进行设计初探，采用e p p l e r 多点设计方法根据变速变桨距兆瓦级 风力机对翼型的要求，设计了一族风力机翼型，初步分析表明可以满足预设要求， 但结果尚未完善，需要进一步改进。 4 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 2 叶片设计及建模技术研究现状 目前叶片设计有两种方法比较常用：一种是直接设计法，将c f d 与最优化方 法结合起来，采用数值计算的方法，通过几何形状的不断修正来寻求目标函数的 最优解，确定各截面的最佳气动参数；另一种是反设计方法，首先给定希望达到 的压力分布、升力阻力系数等气动状态，将几何方程同流动控制方程结合，从初 始状态开始，逐步逼近给定的气动状态，最后求得满足条件的气动模型【1 5 】1 1 6 1 。 叶片设计的基本理论都是在航空机翼气动理论基础上发展起来的，其中贝茨理论 是最早的研究风力机简化设计的理论，该方法是假设风力发电机按照理想状态的 最佳条件运行，没有考虑实际运行中的涡流损失及其他损失，设计精度比较差， 适用于小型风力机【“ 】。后来一些著名的气动学专家相继建立了各自的叶片气动 理论，比较有代表性的有s c h - m i t z 理论，g l a u e r t 模型，w i l s o n 模型，这些理论都 是基于涡流理论建立起来的，设计精度相对较高，适用于大型风力发电机叶片设 计【1 8 】t 1 9 。s c h m i t z 理论考虑了叶片周向涡流损失，g l a u e r t t t 里论考虑了风轮后涡 流流动，但忽略了叶片的翼型阻力和叶尖损失的影响，这些因素对叶片外形影响 比较小，对风轮效率的影响却比较大【2 0 1 。w i l s o n 理论是目前比较常用的设计理论， 它在g l a u e r t 理论基础上作了改进，研究了升阻比和叶尖损失对叶片最佳性能的影 响，并且研究了风轮在非设计工况下的气动性能【2 1 1 。现在大多数风力机叶片都 是基于以上基本理论来设计和修正的。 ef u g l s a n g ，h a m a d s e n 2 2 】提出了一种多学科数值优化方法来设计水平轴 风力机，该方法以能量损失最小为优化目标，以给定的疲劳载荷和极限载荷及年 产功率等为约束条件。eb e n i n i 【2 3 1 ，r l a n z a f a m e 【2 4 】等基于动量叶素理论( b e m ) 建立了风机流体动力学模型，对叶片在设计工况和非设计工况下的气动模型进行 数值计算，并将结果与实验数据进行了对比，证明了该方法在风轮优化设计中应 用的可行性。a j v i t a l e 等【2 5 】利用迭代算法，编制了叶片气动外形设计软件，以 风机得到最大风轮效率为目标，得到最优化的叶片外形，用户可以自己设定叶片 数目，翼型和平均风速，还可以设置特定的叶片宽度和扭角的边界条件，数字计 算的结果将生成叶片的二维和三维图像，显示叶片长度、叶片表面及扭角沿叶片 展向的变化，风轮角速度，风轮效率和输出功率。 杜朝辉、m s s e l i g t 2 6 】提出了两种先进的水平轴风轮叶片气动计算和设计方 s 浙江大学硕十学位论文 第1 章绪论 法一一p l 的p g a 和p r o p i d 。前者是用遗传算法来进行优化计算，用于叶片初步 选择和几何设计；后者是一种基于反问题的叶片气动设计方法，用于叶片的最后 造型和性能评估，本文也是应用了这两种方法的思想，用实际设计实例来验证了 这两种方法的实用性。包耳，邵晓荣等【2 7 1 在g l a u e r t 理论基础上提出了叶片设计 的一种新方法，考虑涡流流动，干涉因子和翼型阻力等，结合实际功率，从能量 角度入手，以保证叶轮实度最小为最终条件进行双重优化，在满足性能要求的前 提下，降低了翼型弦长的取值。王军等【2 8 1 结合威尔森设计方法采用m a t l a b 语 言编程，开发了小型风力机叶片气动设计的应用程序。可以看出，现在风力发电 机叶片设计技术越来越完善，设计出来的叶片具有更好的实用性。 叶片建模方面，随着计算机技术的高速发展，三维造型软件更加强大，在叶 片建模方面，目前学者多用三维造型软件来建立复杂形状叶片的三维实体模型， 并在此基础上对叶片的性能进行数值模拟计算。如陈家权等【2 9 】基于坐标转换原 理建立叶片的空间坐标文件，利用s o l i d w o r k s 导入数据的方法实现了叶片的立体 图绘制。孙永泰【3 0 1 、任腊春等【3 1 】利用u g 实现了叶片的简单参数化建模。李国宁 等【3 2 】利用m a t l a b 开发了小型风力机叶片气动外形设计程序并用p r o e 实现了风 轮的三维造型。张富海等【3 3 】基于v b 平台对c a t i a 软件进行二次开发，实现了风 力机叶片的自动化三维建模。 1 2 3 叶片气动性能数值模拟研究现状 随着计算流体力学和计算机技术的发展，数值模拟已逐渐成为研究风力机气 动性能的一种重要手段。利用c f d 数值模拟的方法可以对叶片进行流场分析、 性能预测等，既能快速对设计方案进行评估，还可以指导后续的实验验证，从而 缩短开发周期，降低开发成本，已成为当前国际上最活跃的研究领域之一【3 4 l 【3 5 1 。 x uqp 等【3 6 】采用n a v i e r - s t o k e s 势流的混合建模方法对水平轴风力发电机 的三维非定常粘性流进行了建模和数值计算，该方法针对叶片流场不同部分采用 不同的建模方法：其中粘性n s 方程只应用于风轮周围的旋转区域，缩小求解 粘性方程的范围，使模型计算得到了简化，叶尖涡流区域采用自由尾流方法来建 模，其他流场采用势流的方法来建模，通过与全粘性n s 方程计算模型和b e m 原理进行对比，证明了该模型可以提高计算精度和效率 s o r e n s e nn n 等【3 7 】采用气动性能分析软件e l l i p s y s 3 d 对来自n r e l n a s a 6 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 a m e s 风洞实验测试过的六种叶轮进行了3 d 数值模拟，湍流模型采用两方程湍 流模型s s tk 0 2 ，计算了0 。偏航角和3 。叶尖桨距角工况下的气动性能，计算 区域只包含叶轮。轴扭矩、襟翼和边缘扭矩、气动系数和压力分布随风速的变化 与实验值总体吻合，从而证明了通过3 dc f d 数值计算能够获取风轮的三维气 动性能的信息。 j o h a n s e nj 等【3 8 】提出了一种从风轮三维c f d 计算中提取翼型气动性能的方 法。在各叶素轴向诱导因子确定的情况下，只要知道风轮转速及扭角就可以确定 叶素攻角，然后通过作用在叶片上的力进一步确定升力系数和阻力系数，得到的 升力系数和阻力系数可以应用在不用任何修正的b e m 方法中。作者采用此方法 对三种失速控制型的风力机气动性能进行了计算，结果表明虽然诱导因子还存在 差距，但机械功率吻合良好，通过该方法证明了只要c f d 计算精度足够，则不用 实验验证失速修正模型即可从c f d 计算中直接得到风力机的气动性能。 m a r t i no l 等【3 9 】对装有l m 8 2 叶片的9 5 k w 风力机的绕流流动进行了流体动 力学模拟，计算并比较了标准叶尖和扫掠型叶尖在不同叶尖速比下的近叶尖流动 情况，并提取出三维翼型数据。在风速为9 m s 时的径向分布的轴向诱导因子平均 值以及法向和切向负荷与标准b e m 程序计算的2 d 校准翼型得到的结果相吻合。 国内对c f d 计算的研究起步较晚，基础理论研究比较少，研究的主要形式是 用c f d 相关软件来模拟风轮的三维流场特性，得出风轮的相关气动特性参数及分 布规律。清华大学的李宇红等【4 0 】采用基于雷诺平均的三维可压n s 方程和s s t 湍 流模型，实验对在7 m s 来流工况下的p h a s e v i 风力机叶片的三维绕流流场进行数 值模拟，分析了叶片各截面的失速性能，三维绕流特性和叶片升阻系数与功率分 布，通过模拟数据表明全三维数值模拟相比二维堆叠更能准确反映叶片绕流的气 动特性。张果宇f 4 1 1 、代丹丹【4 2 】等利用f l u e n t 软件分别对风力机整机和风轮在多个 风速工况下的气动性能进行数值模拟计算，得出各自的特点和差异，并计算了叶 轮受力、转矩、输出轴功率和风能利用效率等参数，得出了风轮的压强分布、流 速分布等流态图。 1 2 4 叶片结构设计及仿真技术研究现状 目前风力发电机叶片越来越大型化，丹麦l m 公司所研制的最长的叶片已达 7 3 5 m ，开创了全球风机叶片长度的新纪录。叶片大型化发展的同时还要求轻量 7 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 化、高性能化和低成本化，因此对叶片材料和结构的要求也越来越高。风力发电 机叶片材料经历了从木制、金属到复合材料的过程，复合材料因其具有轻质，高 强度，以及良好的可设计性而成为目前大型风力机叶片的首选材料【4 3 1 。目前具 有代表性的复合材料包括玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料以及碳纤 维轻木玻纤混合复合材料。碳纤维叶片比玻璃纤维叶片更加轻便，性能优越， 但是由于价格昂贵，限制了其在风力机叶片的大规模使用，目前玻纤复合材料为 制造叶片的主要材料【“】，而叶片的结构设计也大多是针对复合材料叶片铺层结 构而设计。 b e c h l ym e 等【4 5 】用有限元法研究了2 5 m 长的复合材料叶片的结构设计，利 用动量叶素理论数据和面板代码预测，开发了详细划分有限元网格的程序，该程 序格式可以直接封装在商业有限元软件中。 g u n j i ts b i r 4 6 】开发了一种复合材料风力机叶片结构初步设计的计算机辅助 设计方法，该方法通过给定叶片外部几何特性描述和设计载荷分布，用f o r t r a n 语言代码根据极限强度和屈曲性标准来计算承载复合材料层的设计厚度，并可以 获得叶片性能的复合材料层舍板列表。 k o n gs t 4 7 】等运用有限元法对7 5 0 k w 的玻璃纤维复合材料叶片进行结构设 计，其设计载荷i 圭i i e c 6 1 4 0 0 1 和g l 规范标准来计算。对叶片的多种危险工况下 的应力等进行分析，并利用n s 疲劳曲线来预测叶片的寿命。 m a h r iz i 等【4 3 谰有限元法计算了风力机叶片上的动态载荷和压力，并预测 了叶片的寿命。首先利用叶素理论计算小型风机叶片上的动态载荷，这个方法也 可以估算功率系数和总的输出功率，然后对叶片进行了模态分析，计算频率和模 态，评估叶片的动态载荷，最后应用有限元建模的方法计算了叶片根部的动态载 荷进行，得到了不同风速下压力随时间变化的曲线，进行疲劳分析。在模态分析 和静力分析中同时应用了理论计算和仿真模拟计算这两种不同的方法，并对结果 进行比较。 l i a oc c 等【4 9 】基于叶片铺层建立了多目标约束优化模型，开发了风力发电机 叶片设计程序。该模型以使叶片质量最小为目标从而减少风机生产成本，在f a s t 软件计算了最大叶尖挠度，并结合改进的粒子群优化算法( p s o ) 求解最优结果。 张春丽撰文【”】采用桥联理论与有限元软件结合的方法，对三维构型复杂的 8 浙江大学硕士学佗论文第1 章绪论 复合材料风机叶片逐次破坏过程和极限承载能力进行了数值模拟和计算，同时利 用n r e l 开发的专门计算复合材料和叶片性能p r e c o m p 程序计算出叶片截面的 力学参数。曾琴琴等【5 0 】【5 1 1 根据有限元理论，利用大型通用有限元分析a n s y s 建 立叶片的有限元模型，对叶片模型施加相应的工况条件进行结构分析，根据分析 结果对叶片铺层结构进行调整和优化设计，利用a n s y s 进行反复分析校核，确 定最终铺层方案。 1 3 课题来源及研究意义 本论文以桐乡市重大科技专项重点工业项目( 风力发电机塔架叶片制造关键 技术及其产业化) 为依托，以嘉兴联宜风能设备有限公司生产的2 0k w 小型水 平轴风机叶片为研究对象。 本文的研究意义： 1 、在理论上，按照风机叶片设计的相关理论和方法，在w i l s o n 法的基础上 对叶片气动外形设计进行了研究，建立了叶片气动外形优化设计的数学模型，并 用非线性约束最优化方法求解。 2 、在方法上，利用v b 、v c + + 等编程工具对优化计算函数进行封装，在 s o l i d w o r k s 平台上开发了叶片气动外形设计及建模的应用系统。根据输入的设计 参数自动生成叶片的三维实体模型，省去了以往设计过程中生成的大量数据的转 换和存储，实现了叶片的高效、智能化设计，缩短了设计周期，降低了开发成本， 为进一步进行叶片仿真分析和优化设计以及企业自主开发新的产品提供了很好 的平台。 3 、在验证上，利用c f d 软件对设计好的叶片模型进行了流场仿真分析，对 设计结果进行评估，同时应用大型有限元分析软件对企业现有产品的结构铺层进 行仿真分析，全面校核叶片的性能，实现了风力机叶片设计、自动生成叶片的三 维实体模型、仿真分析、验证设计的有效性的一体化。为企业优化设计产品提供 了依据，并省去了大量的实验和装置，提高了设计效率，同时提高了企业的竞争 如。 本论文为风力发电机叶片的设计制造提供了一个新的体系结构和实现方法， 对企业设计和生产新型叶片具有重要的指导意义，能够提高企业的自主研发能 力，降低设计和生产成本，具有重要的工程应用价值。 g 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 4 论文的主要研究内容及章节安排 论文主要研究内容及章节安排如下： 第一章绪论。首先介绍了课题的研究背景，综述了相关技术在国内外的研 究发展现状，并指出目前的叶片设计和建模仿真在制造企业中应用时所遇到的困 难，然后阐述了本课题的研究意义，最后介绍论文的文章结构及内容安排。 第二章首先从风力发电机叶片的基本概念、基本翼型结构参数及其空气动 力学特性和叶片设计原理进行研究，在此基础上推导出叶片气动外形设计的相关 数学模型，并研究了叶片气动外形优化设计的计算模型和方法，为后面的叶片气 动外形设计实例提供了理论依据。 第三章对叶片气动外形设计的主要内容和流程进行了介绍，以2 0 k w 水平 轴叶片作为实例，研究了该叶片气动外形优化设计的方法。主要应用动量叶素 理论和w i l s o n 法，结合m a t l a b 优化工具，计算叶片各叶素的诱导因子以及弦 长和扭角，并基于坐标变换理论建立了叶片的空间坐标体系。 第四章以s o l i d w o r k s 为平台，研究了基于参数化设计思想的风力发电机叶 片气动外形优化设计及三维建模系统的实现。分析了s o l i d w o r k s 二次开发涉及 的关键技术，重点研究了以v b 作为二次开发语言，编制叶片设计的应用程序和 输入输出界面，借助v c + + 将m a t l a b 优化函数进行封装，实现了叶片的气动 外形设计和自动建模。该模型的建立可应用于后续的叶片气动性能分析、结构仿 真分析和全面优化设计奠定基础。 第五章对叶片进行了流场数值模拟分析和有限元结构仿真分析，计算叶片 在设计风速下的气动性能，对叶片的气动性能进行预测和评估，并研究了叶片在 非设计工况下的性能，检验了前面设计模型的有效性，同时利用大型有限元分析 软件a n s y s 对叶片强度和动态性能进