（流体机械及工程专业论文）不同翼型风电机组风轮叶片的气动设计与模拟实验.pdf

接着研究比较了国内外叶片的设计方法，考虑了叶尖和叶根损失，用叶素动量理论建立 了叶片设计目标函数，采用遗传算法作为寻优算法，用m a t l a b 编写了叶片优化设计程序。 最后，设计了4 组l o o w 小型风电机组的叶片，( 1 ) a 组叶片翼型选取的新翼型l c b 0 9 1 5 0 ， 叶片设计方法采用的是传统叶片设计方法。( 2 ) b 套叶片翼型选取的也是新翼型l c b 0 9 1 5 0 ， 叶片设计方法采用的是编写的程序，根据实验的结果表明，b 组叶片功率曲线优于a 组叶片 的功率曲线，而且b 组叶片在额定风速以上出现了明显的失速现象。说明采用遗传算法寻优 程序设计的叶片气动性能优于采用传统设计方法设计的叶片。( 3 ) c 组叶片采用的是l c b 0 9 2 l o 新翼型，叶片设计方法和d 组一样，都是采用叶片设计程序设计的。( 4 ) d 组叶片采用的n a c a 6 3 4 2 1 翼型，通过与c 组实验数据的对比，c 组叶片的气动性能好、功率高，在额定风速以 上出现了明显的失速现象，说明新翼型的气动性能明显优于航空翼型。 关键词水平轴j x l 力机，翼型设计，遗传算法，叶片设计 a b s t r a c t o nt h ef o u n d a t i o no fe x t e n s i v ec o l l e c t i o no fa i r f o i ld e s i g ni n f o r m a t i o n ，t h i sp a p e l r e s e a r c h e s a i r f o i ld e s i g nm e t h o d s ，o b j e c t i v e sa n ds t r a t e g i e s ，鹪w e l l 勰c o l l e c t e st h ea i r f o i ld a t aa th o m ea n d a b r o a d ，t h e nu s e sm a r l a bt ob u i l ta i r f o i ld a t a b a s e ；b a s e do nx f o i ls o f t w a r e ，u s et h ep o s i t i v ea n d n e g a t i v ec o m b i n i n gd e s i g nm e t h o dt oe x p l o i tas e to ft h en e wl o ww i n ds p e e da i r f o i lf a m i l y l c b 0 9 ) o ( x t h en e wa i r f o i ls h a p eh a ss m a l lg e o m e t r i ca r e a ，b l u n tt r a i l i n ge d g ea n dg e o m e t r i c c o m p a t i b i l i t y t h en e wa i r f o i la e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c es h o w sh i g hl i f t d r a gr a t i o ，m a x i m u ml i f l c o e m c i e n t ，l o ws e n s i t i v i t yo fl e a d i n ge d g er o u g h n e s s ，l o wn o i s ea n dg o o ds t a l lp e r f o r m a n c e t h e nc o m p a r et h eb l a d ed e s i g nm e t h o d sa th o m ea n da b r o a d t a k ei n t oa c c o u n tt h eb l a d e s r o o ta n dt i pl o s s e s t h eb l a d ed e s i g no b j e c t i v ef u n c t i o ni se s t a b l i s h e db yt h eb l a d ee l e m e n t m o m e n t u m ( b e m ) t h e o r y ，u s i n gg e n e t i ca l g o r i t h m 懿o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，t h eb l a d ed e s i g n p r o c e s si se o m p i l e db yu s i n gm a t l a b f i n a l l y , 4g r o u p so fl0 0 ws m a l lw i n dt u r b i n eb l a d e sa r ed e s i g n e d ( 1 ) i nb l a d e so fg r o u pa ， t h en e wa i r f o i ll c b 0 9l5 0i ss e l e c t e d a n db l a d ed e s i g nm e t h o d su s e db yt h et r a d i t i o n a lb l a d ed e s i g n m e t h o d s ( 2 ) i nb l a d eo fg r o u pb ，b l a d ea i r f o i l i sa l s os e l e c t e dt h en e wa i r f o i ll c b 0 9 l5 0 ，t h eb l a d e d e s i g nm e t h o d sb eu s e db yb l a d ed e s i g np r o c e s s ，a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，bg r o u p p o w e rc u r v ei sb e t t e rt h a nag r o u pp o w e rc u r v e ，a n dw h e nw i n ds p e e da b o v er a t e d ，t h ebg r o u p b l a d e sa p p e a rac l e a rs t a l lp h e n o m e n o n w h i c hs h o wt h a tt h eb l a d ea e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eu s i n g g e n e t i ca l g o r i t h mo p t i m i z a t i o np r o g r a md e s i g ns u p e r i o rt ot h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d ( 3 ) t h en e w a i r f o i ll c b 0 9 2l0a r eu s e di ncg r o u pb l a d e sd e s i g n t h eb l a d e sd e s i g nm e t h o di sa l s oc h o o s et h e d e s i g np r o c e s s ( 4 ) l nb l a d e so fg r o u pd ，a i r f o i li ss e l e c t e dt h en a c a6 3 - 4 2l ，t h r o u g hc o m p a r i s o no f t h ecg r o u pe x p e r i m e n t a ld a t a cg r o u pb l a d e sh a v eg o o da e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dh i g hp o w e r c u r v e ，a b o v er a t e dw i n ds p e e dt h e r ei sac l e a rs t a l lp h e n o m e n o na p p e a r e d ，i ti si l l u s t r a t et h a tt h en e w a i r f o i lh a v es u p e r i o ra e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c et h a nt h e o l da i r c r a f ta i r f o i l x i ey u a n q i ( f l u i dm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f t i a nd e k e yw o r d s ：h o r i z o n t a l a x i sw i n dt u r b i n e ，a i r f o i ld e s i g n ，g e n e t i ca l g o r i t h m s ，b l a d ed e s i g n 1 2 研究背景4 1 2 1 国外研究背景5 1 2 2 国内研究背景6 1 3 研究内容和意义6 第二章水平轴风力发电机组新翼型族的设计8 2 1 引言”8 2 2 风力机专用翼型族研究现状”9 2 2 1 国外风力机专用翼型研究现状9 2 2 1 国内风力机专用翼型研究现状1 0 2 3 风力机翼型特性“1 1 2 3 1 风力机翼型参数“l l 2 3 2 翼型空气动力特性1 2 2 3 2 翼型边界层和失速1 4 2 4 新翼型族设计方法和策略1 5 2 4 1 设计方法l5 2 4 1 设计策略1 6 2 5l c b 0 9 x x x 翼型族”17 2 6 翼型数据库的建立1 9 2 7 新翼型族的气动特性2l 2 8 新翼型族的气动特性分析2 2 2 8 1 新翼型族的气动性能2 2 2 8 2 新翼型族的气动特性比较“2 5 2 9 本章小结2 6 第三章风电机组叶片设计理论2 7 3 1 引言2 7 3 2 动量理论2 7 3 2 1 风轮尾流不旋转时的动量理论2 7 论文 ”3 0 “3 2 3 3 ”3 5 ”3 6 4 1 遗传算法概述3 6 4 2 遗传算法的运行过程3 6 4 2 1 完整的遗传算法运算流程”3 6 4 2 2 遗传算法的基本操作3 8 4 3m a t l a b 遗传算法的优点3 9 4 4 叶片设计目标模型的建立3 9 4 4 1 叶片设计目标数学模型”3 9 4 4 2 叶片设计程序4 l 4 4 3 叶片设计程序的验证4 1 4 51 0 0 w 风电机组叶片设计4 8 4 5 1 叶片设计原始参数4 8 4 5 2 叶片外形结构设计”4 8 4 5 3 叶片三位建模5 0 4 5 4 叶片材料5l 4 61 0 0 w 风电机组轮毂设计5 3 4 7 本章小结5 4 第五章1 0 0 w 风力发电机叶轮的功率输出特性实验研究5 5 5 1 引言“5 5 5 2 发电机实验台实验5 5 5 2 1 发电机实验台实验方案5 5 5 2 2 发电机功率特性实验仪器5 5 5 2 31 0 0 w 发电机功率输出特性实验结果5 6 5 3 车载实验及其结果分析5 8 5 3 1 实验仪器5 8 5 3 2车载实验测试系统5 8 5 3 3空气密度的计算和功率的修正6 0 5 3 4车载实验“6 0 5 3 4 1起动风速的测试6 0 6 2 展望”6 7 参考文献6 8 致谢7 2 在学期间发表的学术论文和参加科研情况7 3 i v 位论文 论 人类利用风能的历史比较悠久。对于风车的使用最早可以追溯到3 0 0 0 年前，那时候 风车的结构比较简单，其主要的用途是碾碎粮食和提水，后来一度成为了农村经济构成的 主要成分。但是随着化石能源的出现，风车的利用逐渐退出了历史舞台。最早利用风车发 电是在1 9 世纪晚期，美国的b r u s h 研制了一台1 2 k w 的直流风力机。早期研制的风电机 组都用在一些电网无法达到的山区，给蓄电池供电和照明用，除此之外人们对风电几乎别 无他用。但是到了上世纪7 0 年代，随着化石燃料的枯竭，石油、煤炭、天然气这些能源 主要来源部分价格飞涨，加上由于过量使用化石燃料造成的环境污染，迫使政府开始寻找 新的能源替代品，风能作为一种可再生清洁能源得到了迅速的发展。风能大量的使用可以 有效的缓解能源危机，降低化石燃料的燃烧后的排泄物对环境的污染【l 】。 现代风电机组的向着大型化、智能化、产业化方向快速的发展，水平轴风力发电机组 由于其风能利用系数高、起动风速低、外形美观等优点成为了现在风力发电机组的主流。 风电机组的单机容量和尺寸也在逐渐的增大，目前单机容量最大的是e n e r c o n 公司开发 的6 m w 直驱风力发电机组，该风力机叶轮直径为1 2 6 m ，塔架高1 1 5 m ，机舱重5 0 0 t ，塔 架重7 0 0 t 。随着机组容量的增大，风电机组逐渐由陆地安装到了海洋上，海洋上j x l 速大且 较平稳，年发电量比陆地高2 0 4 0 ，是未来风电发展的一个方向。在过去的2 0 年内， 风力发电成本从0 8 美元千瓦小时降到了0 4 美元千瓦小时，考虑环境污染等因素风力发 电与火电相比已经具有了竞争力，随着技术的进一步改进风电成本还会继续下降【2 】。 中国政府在2 0 0 5 年2 月2 8 同通过中华人民共和国可再生能源法，2 0 0 6 年1 月1 日开始实施，这对中国的可再生能源的发展提供了良好的法律保障。京都议定书与2 0 0 5 年2 月1 6 同j 下式开始生效，标志着全世界的人类越来越关注地球环境的变化，越老越重 视到清洁能源的重要性。风能作为目前发展状态最好的可再生能源，会逐渐成为世界能源 结构中不可或缺的一部分【3 】。 1 1 1 国外风电发展现状 世界拥有丰富的风资源，据估计，整个地球风资源高达每年5 3 万亿千瓦时，是2 0 2 0 年全世界预期电力需求的两倍。目前风电已成为了世界上增长最快的新能源，在过去的 2 0 十年罩，全球风电装机总量以2 8 速度快速的增长，截止到2 0 0 8 年底总装机容量达到 了1 2 0 8 g w ，2 0 0 8 年新增装机容量在2 7 g w 以上，同比增长3 6 。全球1 2 0 g w 的风电 总装机容量，意味着每年发电2 6 0 t w h ，减少二氧化碳排放1 5 8 亿吨。2 0 0 8 年美国新增 装机容量8 3 5 8 m w ，总装机容量达到2 5 1 7 0 m w ，正式超过德国( 2 3 9 0 2 m w ) ，位居世界第 华北电力大学硕上学位论文 一。欧洲和北美齐头并进，2 0 0 8 年新增装机容量都大约为8 9 g w ，亚洲以8 6 g w 而紧随 其后4 1 。如图1 1 1 5 所示。 1 4 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 6 0 0 0 0 4 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 图1 1 3 0 0 0 0 2 5 0 0 0 2 0 0 0 0 15 0 0 0 10 0 0 0 5 0 0 0 o 1 9 9 81 9 9 9 2 0 0 02 0 0 12 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 42 0 0 5 2 0 0 62 0 0 72 0 0 8 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 15 1 0 ， 5 s o e m m a 累计风电装机总量+ 累计装机总量增诛 1 9 9 8 年2 0 0 8 年全球累计装机容量变化情况( 单位：兆瓦) 1 9 9 81 9 9 9 2 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 5 2 0 0 62 0 0 72 0 0 8 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 ， 2 0 10 o 一l o ， 圜新增装机容量+ 新增装机容量增速 图1 21 9 9 8 年2 0 0 8 年全球风电新增装机容量变化情况( 单位：兆瓦) 2 0 2 0 叫 a 2 0 0 5 2 0 0 6 l n 3 0 7 2 啷 l 二 一 ， 一 i _ 爸 c j i 谚 ， 嗵， i r r 口 ，。 士_一一嗣j 一 ：7 - 一 图1 4 总装机容量l j 十位国家图1 5 新增装机容量前十位国家 1 1 2 国内风电发展现状 我国幅员辽阔，海岸线长，j x l 能资源比较丰富。根据全国9 0 0 多个气象站将陆地上离 地1 0 m 高度资料进行估算，全国平均j x l 功率密度为1 0 0 w m 2 ，j x l 能资源总储量约3 2 2 6 亿k w ，可开发和利用的陆地上风能储量有2 5 3 亿k w ，近海可开发和利用的风能储量有 7 5 亿k w ，共计约l o 亿k w 。如果陆上风电年上网电量按等效满负荷2 0 0 0 小时计，每年 可提供5 0 0 0 亿千瓦时电量，海上j x l 电年上网电量按等效满负荷2 5 0 0 小时计，每年可提供 1 8 万亿千瓦时电量，合计2 3 万亿千瓦时电量。而且国内风力资源主要集中在三北地区 和东部沿海地带，给大规模的开发和利用提供了良好的条件【5 】。 中国风电发展迅速，2 0 0 4 2 0 0 8 年，中国风电装机容量连续3 年增长超过l o o ，期间 每年风电新装机容量都是此前2 0 年的总和。根据中国风能协会( c w e a ) 的最新统计数据显 示，2 0 0 8 年中国除台湾省以外新增风电机组5 1 3 0 多台，新增风电装机容量约为6 2 4 6 万 k w 。与2 0 0 7 年当年新增风电装机的3 3 0 4 万k w 相比，2 0 0 8 年当年新增装机的增长率为 8 9 。 2 0 0 8 年中国除台湾省外累计风电装机1 1 6 0 0 多台，风电装机容量约为1 2 1 5 3 万k w ，分 布在2 4 个省( 市、区) ，比前一年增加了重庆、江西和云南三个省市。风电装机超过1 0 0 力k w 的有内蒙古、辽宁、河北和吉林四个省区。与2 0 0 7 年累计装机的5 9 0 6 万k w 相比，2 0 0 8 年 累计装机增长率为1 0 6 。 2 0 0 8 年新增市场份额：中国内资与合资企业产品占7 5 4 。其中华锐风电所占的份额 最大，占风电新增总装机的2 2 5 ，内资与合资企业产品的2 9 8 。外资企业产品占2 4 6 ， 其中丹麦v e s t a s 的份额最大，占风电新增总装机的9 6 ，外资企业产品的3 9 0 。 2 0 0 8 年累计市场份额：中国内资与合资企业产品占6 1 6 ，内资与合资企业的累计市 场份额首次超过了外资企业，其中金风科技所占的份额最大，占j x l 电累计总装机的2 1 6 ， 3 华北电力大学硕士学位论文 内资企业产品的3 5 1 。外资企业产品占3 8 4 ，其中西班牙g a m e s a 所占的份额最大，占 风电累计总装机的1 2 8 ，外资企业产品的3 3 3 【6 j 。 中国风电快速的发展也带来了一些亟待解决的问题，中国风电产业存在很多问题。 ( 1 ) 产能过剩 2 0 1 0 年我国的风电累计装机容量将达到2 0 0 0 万千瓦，2 0 2 0 年将达到l 亿千瓦，也 就是说从2 0 1 1 年到2 0 2 0 年将增加8 0 0 0 万千瓦，平均每年新增8 0 0 万千瓦目前国内风 电整机制造业仅金风科技、华锐、东汽、上汽4 家企业的年产能就在8 0 0 万千瓦以上，这 意味着其他6 0 多家风电企业的竞争将会更加激烈，而且这还不包括国际风电巨头。据统 计，我国风电整机制造企业超过7 0 家，风叶生产企业达5 0 多家，塔筒生产企业接近1 0 0 家，从企业产能计算，已远远超过市场容量。 ( 2 ) 电网建设滞后 目前，世界上有一个不成文的规定，风能发电的电量比例不能超过总发电量的5 ， 一旦超过这个比例就可能造成电网不稳定。而造成这种结果有两方面的原因，一方面，一 些地区的区域性电网已经十分脆弱，很多设备都相对老化，而风电的输出功率是不稳定的， 风力发电会降低电网负荷预测精度，从而影响电网的稳定性，很容易造成局部电网崩溃。 另一方面，电网电量的调度也非常棘手。建立千万千瓦级的风电基地，必将使区域性 电网的电量大大增加，这对电网系统来说是严峻的考验。电量的增加必然要求电量的调度 非常完善。电是一种非常特殊的商品，生产出来必须马上输送出去。如果因为电网建设没 有跟上，就会出现发出来的电送不出去，产生窝电现象，电网便将不堪重负而崩溃。 ( 3 ) 技术设备落后 一方面，我国风电技术研发和设备制造能力不强。目前，我国风电设备制造企业走的 是一条从带料加工，到合作生产或购买国外许可证进行组装的技术路线，风电系统工程研 发制造能力弱，现有制造水平远落后于市场对技术的需求。 另一方面，我国风电发展缺乏专业及复合型人才，风电产业服务体系尚未形成。目前 还没有建立起专业的j x l 电技术研究丌发机构，风电技术研发和管理人才严重不足，风电产 业缺乏从设计、制造、安装、调试及运营管理的人爿培养体系，风电产业服务体系尚不完 善，难以适应当前风电快速发展的需要1 7 j 。 1 2 研究背景 风力发电机是集空气动力、电机制造、液压传动和计算机自动控制为一体的综合性技 术。大致由以下几个子系统组成：桨叶、增速齿轮箱、发电机、塔架控制设备、电缆、地 面支撑设备、各子系统连接设备。 风轮是将风能转换为机械能的装置，它由气动性能优异的叶片( 目前商业机组一般为 2 3 个叶片) 装在轮毂上所组成，低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将 4 由 主要有两个因素决定，一个是叶片的横截面翼型的气动性能，叶片是翼型按照一定规律积 叠而成，翼型升阻比的大小、升力系数的大小、对前缘粗糙度的不敏感性、失速性等气动 性能的好坏直接决定叶片的捕风能力；另一个是叶片的外形结构，包括叶片的弦长分布、 扭角分布、厚度分布，这些也是直接影响叶片气动性能的重要因素。当然叶片的设计还要 考虑结构方面的因素，包括极限强度和疲劳强度的满足。 1 2 1 国外研究背景 2 0 实际8 0 年代到9 0 年代早期，风电机组的叶片设计大都采用n a c a 4 4 、n a c a 6 3 系列的航空翼型族。但通过计算和风洞试验表明航空翼型很难满足现在大型风电机组的气 动特性，所以从8 0 年代开始许多国家都开展了风电机组专用翼型的设计研究，并相续推 出了各自的翼型系列。 从1 9 8 4 年开始到1 9 9 5 年，美国可再生能源实验室( n r e l ) 针对不同容量的风电机 组设计了9 个s 翼型族共2 5 个翼型，除了早期为叶根设计的厚翼型( $ 8 0 4 ，$ 8 0 7 ，$ 8 0 8 ，s 8 1 1 ) 外，所有的翼型都表现出对前缘粗糙度的不敏感性，在接近最大升力系数时，由层流到湍 流的转捩点十分靠近翼型l j i 缘。该翼型还有良好的失速特性，随着攻角的增加其失速平缓， 减小了风力机的功率和载荷波动【8 】。9 0 年代初，荷兰d e l f t 大学风能研究所基于x f o i l 开 发了r f o i l 软件，基于r f o i l 先后开发了从1 5 到4 0 相对厚度的d u 翼型族，一共包 括1 5 个翼型。该翼型的设计雷诺数在2 1 0 6 4 1 0 6 之间，为了保证翼型对前缘粗糙度的 不敏感性适当的降低了升力系数。实验证明该翼型具有良好的前缘粗糙度不敏感性和低噪 音特点【9 】。9 0 年代中期，丹麦国家实验室r i s # 先后开发了r i s # a i 、r i s # p 和r i s # b 风力机专用新翼型族，翼型的设计策略是：在叶片设计攻角下具有高的升阻比、良好的前 缘粗糙度不敏感性、好的几何兼容性【i0 1 。瑞典航空研究院从2 0 世纪9 0 年代开始陆续开发 了f f a w l 、f f a w 2 、f f a w 3 等翼型族。不同的翼型族适用于不同容量的风电机组， f f a w 3 适用于m w 级风电机组，该翼型族气动特性良好，有着较高的升阻比c ，e 和较 大的最大升力系数g ，良好的i j i 缘粗糙度不敏感性和低噪音等特点【。 1 8 8 8 年，美国的c h a r l e sf b r u s h 建立了世界上第一个风力发电机组，叶片采用平板设 计，效率低。1 8 9 1 年，丹麦的p o u ll a c o u r 教授首先将气体动力学引进风电机组的研究， 并且是世界上第一个利用风洞试验研究风力发电机的科学家。2 0 世纪初空气动力学的蓬 勃发展和飞机的发面使人们对叶片的气动设计更为重视。现在国外叶片的设汁理论很多， s 华北电力大学硕士学位论文 目前用的最多是叶素动量理谂，现在许多的叶片设计和气动性能计算理论都是基于叶素动 量理论提出的。德国的e n e r c o n 公司对叶片结构设计进行了深入研究，在叶尖安装了叶尖 小翼，降低了叶片旋转造成的噪音。丹麦l m 公司提出了“f u t u r eb l a d e ”的概念，并且在兆 瓦级风电机组叶片上使用了这种概念。这种叶片细长，叶片所受载荷较低，叶片质量分布 更加优化。美国k n i g h t & c a r v e r t l 2 j 风电叶片公司成功开发出了新型叶片s t r a rb l a d e ， 这种叶片采用“柔性”设计理念，叶片刚度有所降低，在外形上合传统叶片后缘线性变化不 同，逐渐向后缘弯曲，降低了叶片风压和风机的驱动力矩，并最大限度捕获所有可用风速 段的风能，比传统叶片捕风能力提高了5 1 0 e 1 3 j 。 1 2 2 国内研究背景 国内翼型的究较国外起步较晚，汕头大学能源研究在2 l 世纪初进行了适用于风力机 的新翼型气动性能的实验研究，为新翼型的设计积累了大量实验数据f i4 1 。中国科学院工程 热物理研究所在国家8 6 3 项目的支持下，搜集数据建立了翼型数据库，总结了风力机的设 计方法，在此基础上用正设计方法设计开发了适用于兆瓦级风电机组的风力机专用翼型 族：c a s w 1 x x x 。该翼型的设计雷诺数是3 x 1 0 6 ，从x f o i l 的计算结果显示，翼型满 足了设计目标【l5 1 。 国内关于风电机组叶片的研究起步也较晚，陈余岳等【l6 】在上世纪末研究了叶片设计与 制造方面的技术问题，包括气动性能计算、结构设计、局部安全系数、载荷计算、强度与 变形计算、频率计算、稳定计算、疲劳分析、机构静动态实验、疲劳试验和叶片成型工艺。 刘雄1 1 7 j 等在本世纪初提出了风力机风轮叶片的优化设计模型，该模型考虑了风场风速的概 率分布，以风力机年能量输出最大为设计目标。采用改进的遗传算法e c g a 丌发了叶片设 计程序，设计了1 3 m w 失速型风力机的叶片。与已有的1 3 m w 失速型风力机相比，设计 结果显示了明显的优越性，说明该优化设计模型的有效性和实用性。包耳【l8 j 等根据水平轴 风力机转子的涡流气动模型，从能量的角度入手，考虑干涉因子和翼型阻力，提出了叶片 桨叶设计的一种新型计算方法。许贵营，黄争鸣【l9 】选取一风力机叶片为计算模型，使用 p r o p d 进行重新优化设计个分析，通过分析比较发现，p r o p d 程序在叶轮的功率计算、 外形几何尺寸设计、最佳安装角和转速的确定方面均有良好表现，并能j 下确反映风机叶轮 的气动理论，是一种很实用的风力机叶轮逆向设计和分析程序。内蒙古工业大学能源与动 力工程学院的汪建文等【2 m 2 i 】利用f l u e n t 商用计算流体软件对风力机叶尖加小翼后的性 能进行了数值模拟。武汉理工大学的李军向【l3 j 博士研究了叶片的气动性能计算、结构设计 与叶片铺层建模，对叶片强度计算和建模提出了很好的建议。 1 3 研究内容和意义 设计性能好的叶片必须满足多项技术指标，首先要求叶片在特定风速下年发电量要 最大，其次叶片气动性能稳定，失速性能好，不会与风速和风轮的旋转之间发生共振，再 6 华北电力大学硕上学位论文 者满足极限和疲劳强度要求，最后要质量最小成本最低。叶片的设计过程主要分两个步骤， l 、气动性能的设计；2 、结构设计。本论文只要研究的内容是叶片的气动设计，论文的主 要工作包括以下内容： 1 ) 收集了国内外设计的翼型数据，用m a t l a b 建立了翼型数据库，用x f o i l 软件计 算了航空翼型n a c a 6 系列层流翼型、美国可再生能源实验室( n r e l ) s 系列翼 型、荷兰d u 系列翼型、瑞典f f a w 系列翼型、丹麦国家实验室r i s # 系列翼型 的气动性能，比较分析了各种翼型之间气动性能参数，总结了各个翼型族之间外 形的区别和气动性能的优缺点。然后研究了国内外翼型设计方法、目标，总结了 设计新翼型的设计方法和策略，基于x f o i l 软件开发了一套低风速新翼型族 l c b 0 9 x x x 。最后用x f o i l 计算了新翼型的气动性能，计算分析结果表明所设计 翼型的气动性能满足了设计目标。并与国外风电机组专用翼型族进行了对比，分 析了所设计翼型的优缺点，提出下一步工作的方向。 2 ) 学习研究了国内外叶片设计方法：简易叶片设计方法、s c h m i t z 理论、c l a u e r t 模 型和w i l s o n 模型等，总结了各种方法的优缺点，基于遗传算法和叶素动量理论建 立了叶片设计模型，用m a t l a b 遗传算法工具箱编写了叶片设计程序，根据对 比1 5 m w 实际叶片的弦长和程序计算的结果表明，表明设计程序有一定的实用 性。 3 ) 用叶片设计程序设计了1 0 0 w 小型风电机组的叶片，共设计了4 套叶片：( 1 ) a 套叶片翼型选取的是最大相对厚度为1 5 的新翼型l c b 0 9 1 5 0 ，叶片设计方法采 用的传统叶片设计方法。( 2 ) b 套叶片翼型选取的也是最大相对厚度为1 5 的新 翼型l c b 0 9 1 5 0 ，叶片设计方法采用的是编写的程序，设计的目的是与a 组叶片 进行对比，比较传统设计方法和采用遗传算法程序所设计的叶片之间的优缺点。 ( 3 ) c 组叶片采用的是l c b 0 9 2 1 0 厚翼型，叶片也是采用所编写的程序设计的。 ( 4 ) d 组叶片采用的n a c a6 3 4 2 1 翼型，叶片的弦长、扭角和c 组叶片相同， 目的是比较新翼型和传统航空翼型叶片出力情况，分析是否新翼型的一些气动特 性较航空翼型有所改善。 国内翼型和叶片的设计技术相对落后，考虑到设计要建立在大量实验的基础上，为 了降低成本大多数厂商直接引进国外的叶片，采用测量的手段复制国外叶片的形状，叶片 设计的核心技术并没有掌握。所以有必要研究翼型和叶片的设计方法，掌握翼型和叶片设 计的关键技术，本文在研究大量文献资料的基础上，开展了翼型和叶片设计工作，采用 c f d 技术对翼型和叶片进行数值模拟计算，降低叶片设计成本，最后用实验验证叶片设计 程序的实用性。但所设计的新翼型和叶片设计程序都还存在很多不足，论文的最后对下一 步工作提出了建议和展望。 7 2 1 引言 华北电力人学硕上学位论文 第二章水平轴风力发电机组瓤翼型族的设计 风力发电机组的工作原理是通过叶片将风能转化为机械能，再通过轮毂、轴和齿轮箱 等传动装置把机械能传递给风力发电机，最后由发电机将机械能转化成电能输向电网供用 户使用，因此叶片是风电机组的核心部件之一。而机组叶片的设计过程是将翼型按照一定 的扭角、弦长和厚度分布沿叶片展向积叠而成，所以翼型的气动性能好坏对风电机组的捕 风能力有着重要的影响，直接决定了风电机组的风能利用效率。在过去的几十年里，风力 发电机组容量小、风能利用效率低，叶片多选用航空翼型，例如n a c a 4 4 x x 、 n a c a 2 3 x x x 、n a c a 6 3 x x x 和n a s al s ( 1 ) 系列翼型。由于制造误差、沙石和灰尘摩擦、 昆虫残骸的附着、空气和雨水的腐蚀等因素导致叶片前缘表面粗糙度的增加，传统翼型在 大攻角下随着前缘粗糙度的增加翼型前缘处边界层提前由层流转捩成湍流，翼型上边面边 界层过早发生分离，导致叶片最大升力系数严重下降。前缘粗糙度也会导致翼型阻力的大 幅度增加，升阻比曲线斜率降低最大升阻比下降，进一步增加了机组的能量损失。对失速 型机组来说，由于前缘粗糙度的增加机组年能量损失高达2 0 3 0 ：变桨距型风电机组 由于其攻角可以调节，在大风速下由前缘粗糙度造成的能量损失有所下降，年能量损失在 1 0 - - 1 5 左右；变速型风电机组受前缘粗糙度的影响最小，年能量损失在5 1 0 左右 2 2 - 2 3 】。随着风电机组容量的不断增大传统翼型已经很难满足现代风力机的设计要求，为了 减少能量损失，美国、荷兰、丹麦、瑞典等国家早在2 0 世纪八十年代就丌始进行风电机 组专用翼型族的丌发。目前国外的叶片普遍采用了风力机专用新翼型，不仅提高了风电机 组的效率，而且降低了叶片加工成本、减小了噪音，翼型良好的失速特性更加有利于风电 机组的控制。国内的新翼型设计研究起步较晚，缺乏新翼型的设计数据和气动数据，严重 的影响了国内叶片的设计水平。 中国的风资源相对欧洲和美国地区质量相对较差，欧洲风资源丰富区机型如 v e s t a s 2 0 m w 、f l a n d e l 5 m w 、r e p o w e r l 5 m w 、g e l 5 m w 为主流，机组额定风速在 1 2 l5 m s 之间，特点是适合安装在3 4 类风资源区，如安装在2 3 类风区，年发电量等 效满负荷小时数将低于1 8 0 0 小时。中国大部分地区年平均风速较低，以东北某地区为例， l l l m s 风速的分布几率为0 9 5 ，1 - 9 m s 分布几率为o 9 2 。而国内的风电场中广泛安装着 国外进口的机组，国内的机组叶片也是大量的采用国外的技术，这些风力机在中国都表现 出风能利用系数低于设计值，年发电量低于国外测试水平，所以有必要丌发出一套适用于 中国低风速区的低风速风力机专用翼型族。本章的主要工作是大量收集国外j l 电机组专用 新翼型族的几何和气动数据，研究新翼型的设计目标和设计方法，基于亚音速翼型设计软 件x f o i l 设计开发了l c b 0 9 x x x 翼型族，根据x f o i l 计算结果显示，该翼型族不仅表 8 华北电j j 大学硕仁学位论文 现出了对前缘粗糙度的不敏感性和良好的失速特性，而且在低风速区具有较高的升阻比 q c , 和较大的升力系数q 一，在高风速区升阻比增大的幅度小便于机组的功率控制。 2 2 风力机专用翼型族研究现状 2 2 1 国外风力机专用翼型研究现状 从1 9 8 4 年开始到1 9 9 5 年，美国可再生能源实验室( n r e l ) 针对不同容量的风电机 组设计了9 个s 翼型族共2 5 个翼型，除了早期为叶根设计的厚翼型( $ 8 0 4 ，$ 8 0 7 ，$ 8 0 8 ，$ 8 1 1 ) 外，所有的翼型都表现出对前缘粗糙度的不敏感性，在接近最大升力系数时，由层流到湍 流的转捩点十分靠近翼型前缘。在叶尖处的翼型上表面层流长度占到了5 0 的翼型面积， 下表面甚至超过了6 0 。该翼型的俯仰力矩系数和g 一。成比例，因此s 翼型的俯仰力矩 系数较之传统翼型较小。该翼型还有良好的失速特性，随着攻角的增加其失速平缓，减小 了风力机的功率和载荷波动。n r e l 部分翼型如图2 1 所示。 图2 1部分n r e l 部分s 系列翼型8 l 上世纪九十年代初，荷兰d e l f t 大学风能研究所基于x f o i l 开发了r f o i l 软件，基 于r f o i l 先后开发了从1 5 到4 0 相对厚度的d u 翼型族【2 1 ，一共包括1 5 个翼型。该翼 型的设计雷诺数在2 1 0 6 4 1 0 6 之间，为了保证翼型对日i 缘粗糙度的不敏感性适当的降低 了升力系数。实验证明该翼型具有良好的前缘粗糙度不敏感性和低噪音特点。部分d u 翼 型的形状如图2 2 所示。 9 华北电力人学硕1 ：学位论文 图2 - 2 部分d u 翼型族9 】 2 0 世纪9 0 年代中期，丹麦国家实验室r i s 先后开发了r i s 矽a 1 、r i s 矽- p 和r i s 矽一b 风力机专用新翼型族，翼型的设计策略是：在叶片设计攻角下具有高的升阻比、良好的前 缘粗糙度不敏感性、好的几何兼容性。部分翼型族如图2 3 所示。 图2 - 3r i s 矽一a x x 翼型族1 0 1 瑞典航空研究院从2 0 世纪9 0 年代开始陆续丌发了f f a w l 、f f a w 2 、f f a w 3 等 翼型族。不同的翼型族适用于不同容量的风电机组，f f a w 3 适用于m w 级风电机组，该 翼型族气动特性良好，有着较高的升阻比q q 和较大的最大升力系数q 一，良好的前缘 粗糙度不敏感性和低噪音等特点，世界最大的叶片生产商月麦l m 公司生产的大型风电机 组上广泛的采用了该翼型族。f f a w 3 翼型族外形图如图2 4 所示。 图2 4 部分f f a w 3 翼型族1 2 2 1 国内风力机专用翼型研究现状 1 0 华北电力大学硕士学位论文 汕头大学能源研究在2 l 世纪初进行了适用于风力机的新翼型气动性能的实验研究， 为新翼型的设计积累了大量数据f l 引。中国科学院工程热物理研究所在国家8 6 3 项目的支持 下，搜集数据建立了翼型数据库，总结了风力机的设计方法，在此基础上用正设计方法设 计开发了适用于兆瓦级风电机组的风力机专用翼型族：c a s w 1