（流体机械及工程专业论文）大型水平轴风力机风轮气动性能计算与优化设计(1).pdf

l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - i - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ - _ - _ _ - _ - _ - - 而 - 一 | 、 c o m p u t a t i o m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n 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 i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry a n gc o n g x i n j u n e ，2 0 1 1 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：导小静日期：知f | 年6 月8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：2 0 1 7 年6 月含日 日期：矽，年月孑日 j ， 摘要 a b s t r a c t 第1 章绪论 1 1 开展风力发电研 1 1 1能源需求 1 1 2 环境保护要求。1 1 1 3 可持续发展要求1 1 2 国内外风电开发状况2 1 2 1 国外风电开发状况。2 1 2 2国内风电开发状况3 1 3 国内外风力机研究状况3 1 4 风力机气动性能研究存在的问题6 1 5 课题研究的内容及创新点7 1 5 1 课题研究的内容7 1 课题研究的创新点7 1 6 本章小结7 第2 章风力机基本理论及编程软件简介9 2 1 风力机基本理论9 2 1 1 贝茨理论9 2 1 2 动量理论1 0 2 1 3 叶素理论1 3 2 1 4 动量叶素理论1 4 2 2 水平轴风力机空气动力学设计参数1 7 2 2 1 风能的计算1 7 2 2 2 风力机的特性系数1 7 2 2 3 翼型的选择和布置。1 9 2 2 4 风速的数学表达式2 0 2 3m a t l a b 简介2 1 2 4 本章小结2 3 第3 章水平轴风力机气动性能计算2 4 3 1 风力机风轮的有限叶片变环量旋涡气动模型2 4 3 2 风轮气动模型的气动分析与计算2 5 3 2 1 叶素绕流分析2 5 3 3 第4 章 4 1 4 2 4 2 2 粒子群算法的搜索流程4 1 4 2 3 粒子群算法的相关参数4 2 4 3 风力机气动外形优化设计的数学模型4 3 4 3 1 数学模型4 3 4 3 2 设计变量4 3 4 3 1目标函数4 3 4 3 1 约束条件4 4 4 4 变桨距风力机桨距调节的优化设计数学模型。4 5 4 4 1风力机桨距调节原理4 5 4 4 2 风力机桨距调节的优化设计数学模型4 5 4 5 风力机优化设计编辑程序4 6 4 6 本章小结4 7 第5 章水平轴风力机优化设计的计算实例与分析。4 8 5 1基于p s o 的定桨距风力机叶片气动外形的优化设计4 8 5 1 2 实例计算与分析4 8 5 1 2 影响气动性能参数分析5 1 5 1 3 优化设计结果分析：5 2 5 2 基于p s o 的变桨距风力机叶片外形与桨距调节的优化设计5 2 5 2 1 实例计算与分析5 2 5 2 2 影响气动性能参数分析5 4 5 2 3 优化设计结果分析5 5 5 5 本章小结。5 6 结论与展望5 7 m 硕十学位论文 摘要 风能是无污染可再生的绿色能源。目前，利用水平轴风力机发电是风能利用 的主要形式。风力机风轮叶片的外形决定了风能转换的效率，风力机的叶片设计 涉及到复杂的气动性能计算及搜索寻优过程。虽然国内外学者对影响水平轴风力 机气动性能的主要因素也进行过多方面研究，但作为水平轴风力机的设计理论和 方法还很不完备。本研究针对水平轴风力机气动模型的选取、风轮气动性能计算 的数值解法、风轮气动外形的优化设计、桨距调节的优化设计进行探讨，其研究 内容主要包括有三个方面： ( 1 ) 水平轴风力机气动性能的计算。首先，采用有限叶片变环量t ( r ) 旋涡气 动模型；其次，采用n e w t o n 插值一数组化数值解法对叶片径向的环量分布，诱 导速度，来流的下洗角所涉及的积分一微分方程组进行求解；最后，采用m a t l a b 编程计算风轮各气动性能参数。 ( 2 ) 水平轴风力机气动外形的优化设计。首先，确定优化性能指标为风力机 的年平均功率；其次，在了解风力机理论和叶片结构的基础上，对叶片进行划分， 取得1 7 个截面，并确定选取能够改变叶片设计外形的设计参数；再次，确定设计 变量的约束条件和目标函数；最后，根据实际情况选择恰当的收敛精度。 ( 3 ) 水平轴风力机桨距调节的优化设计与气动性能计算。首先，在各个风速 下分析桨距的调节趋向；其次，选取符合桨距调节的设计变量、设计变量的约束 条件、桨距调节的目标函数；再次，选择恰当的收敛精度，编写m a t l a b 程序 进行优化设计；最后，根据调桨后安放角的更新和原额定叶片气动与几何参数， 计算各个风速下气动性能。 通过研究以及分析得出以下结论： ( 1 ) 基于有限叶片变环量t ( r ) 旋涡气动模型，采用n e w t o n 插值一数组化数 值解法所涉及的积分一微分方程组进行求解，利用m a t l a b 编程计算水平轴风 力机的功率系数。研究表明：选取的气动模型与实际风轮运行比较符合：直接对 诱导速度的积分微分方程数值求解，可获得较准确的气动计算结果；采用多线程 数组运算编程，提高了数值计算效率； ( 2 ) 基于上述模型，对水平轴风力机的气动外形采用粒子群优化算法进行优 化设计。研究表明：针对特定风场，考虑了风场风速的概率分布，以风轮年平均 功率最大为目标，使用粒子群算法进行搜索寻优。从寻优结果发现，针对特定风 场设计的水平轴风力机风轮，与已有同样扫风面积的风力机风轮进行对比，设计结 果有明显的优越性，并能选取合适的额定风速，从而说明了该优化设计模型的有效 性与实用性。 h o r i z o n t a l a x i sw i n dt u r b i n er o t o rp o w e ri st h em a i nf o r mo fw i n de n e r g ye x p l o i t a t i o n t h ew i n dp o w e rc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yi sd e p e n d e do nt h ea p p e a r a n c eo fw i n dt u r b i n e b l a d e s a e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o na n ds e a r c h i n go p t i m i z a t i o np r o c e s si s i n v o l v e di nt h ew i n dt u r b i n eb l a d ed e s i g n i n g a l t h o u g hd o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a r s r e s e a r c h e dt h em a i nf a c t o r so fa e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，t h eh o r i z o n t a l - a x i sw i n d t u r b i n er o t o rd e s i g n i n gt h e o r ya n dm e t h o di sn o tc o m p l e t e d t h i ss t u d yf o c o u s e do n t h eb a s i so ft h es e l e c t i o no fh o r i z o n t a la x i sw i n d d r i v e nm a c h i n ea e r o d y n a m i c s m o d e l ，c a l c u l a t e dt h ea e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fr o t o rn u m e r i c a ls o l u t i o no ft h e o p t i m i z a t i o nf a n c ya e r o d y n a m i ca p p e a r a n c ed e s i g n ，t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h e a e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dp i t c hr e g u l a t i o n t h er e s e a r c hc o n t e n tm a i n l yi n c l u d e s t h r e ea s p e c t s ： ( 1 ) t h e c a l c u l a t i o no nt h eh o r i z o n t a l - a x i sw i n dt u r b i n e a e r o d y n a m i c p e r f o r m a n c e f i r s t ，t h ei n v o l v i n go ft h ec o m p l i c a t e dw a k ev o r t e xa e r o d y n a m i cm o d e l ； s e c o n d l y ，n u m e r i c a lm e t h o do f n e w t o ni n t e r p o l a t i o ni s a p p l i e d t os o l v et h e i n t e g r o - d i f f e r e n t i a le q u a t i o n sw h i c hi n c l u d e sc i r c u l a t i o nd i s t r i b u t i o n o no nt h er a d i a l d i r e c t i o nl e a f , i n d u c i n gt h ev e l o c i t ya n dt h ew a s ha n g l e ；f i n a l l y , e v e r yp n e u m a t i c p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r si sc a l c u l a t e do nt h eb a s i so fm a t l a b ( 2 ) t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h eh o r i z o n t a l - a x i sw i n dt u r b i n ea e r o d y n a m i c s h a p e f i r s t ，c o n f i r mt h eo p t i m a lp e r f o r m a n c ei n d e xf o r t h ea n n u a lp o w e rw i n d t u r b i n e s ；s e c o n d l y ，d i v i d i n gt h eb l a d ei n t o1 7s e c t i o n ，a n dd e t e r m i n i n gt h ed e s i g n p a r a m e t e r ss e l e c t i o nt h a t c a nc h a n g et h ed e s i g na p p e a r a n c eb a s e do nt h ew i n d m a c h i n et h e o r ya n dt h eb l a d e ss t r u c t u r e ；t h e n ，d e t e r m i n i n gt h ed e s i g nv a r i a b l e s c o n s t r a i n tc o n d i t i o na n dt h eo b j e c t i v ef u n c t i o n ；f i n a l l y , t h ea p p r o p r i a t ec o n v e r g e n c e p r e c i s i o ni ss e l e c t e da c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o n ( 3 ) t h eh o r i z o n t a l a x i sw i n dt u r b i n eb l a d eo p t i m i z a t i o np i t c hr e g u l a t i o nd e s i g n a n da e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o n f i r s t ，a n a l y s i sp i t c hr e g u l a t i o nt r e n di n e a c hw i n db l o w i n g s e c o n d ，t h ed e s i g nv a r i a b l e s ，t h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n sa n dt h e o b j e c t i v ef u n c t i o n i ss e l e c t e da c c o r d i n gt ot h ep i t c ha d j u s t m e n t t h e n ，c h o o s e i n g a p p r o p r i a t ec o n v e r g e n c ep r e c i s i o na n dc o m p i l em a t l a bp r o g r a mt od e s i g n f i n a l l y ， t h ea e d y n a m i cp e r f o r m a n c eu n d e rd i f f e r e n tw i n ds p e e di sc a l c u l a t e do nt h eb a s i so f t h eu p d a t i n gv a n ea n g l e ，t h ef o r m e rr a t e dg e o m e t r i cp a r a m e t e r sa n dt h ea d y n a m i c p a r a m e t e r st oc a l c u l a t e t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o ni so b t a i n e do nt h er e s e a r c ha n da n a l y s i s ： i l l 大型水平轴风力机叶片气动外形的优化设计 。( 1 ) t h ec o m p l i c a t e dw a k ev o r t e xa e r o d y n a m i cm o d e l ，w h i c hi sb a s e do nt h e l i m i t e db l a d en u m b e r sa n dt h ev a r i a b l ec i r c u l a t i o na l o n gt h eb l a d ea x i s a n dt h e n u m e r i c a lm e t h o do fn e w t o n i n t e r p o l a t i o n w a s a p p l y c d t os o l v et h e i n t e g r o d i f f e r e n t i a le q u a t i o n s ，a n dt h em a t l a bp r o g r a mi sa d o p t e dt oc a l c u l a t et h e h o r i z o n t a l a x i sw i n dt u r b i n ep o w e rc o e f f i c i e n t r e s e a r c hs h o w st h a tt h es e l e c t e d a e r o d y n a m i c sm o d e lw a sm a t c h e dw i t ht h ea c t u a lo p e r a t i o nr o t o r ；d i r e c t l yo nt h e i n d u c t i o ns p e e dn u m e r i c a li n t e g r a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o nc o u l do b t a i nm o r ea c c u r a t e p n e u m a t i cc a l c u l a t i o nr e s u l t s ；t h eu s a g eo ft h em u l t i t h r e a d i n ga r r a yc o u l di m p r o v e t h eo p e r a t i o np r o g r a m m i n gn u m e r i c a lc a l c u l a t i o ne f f i c i e n c y ； ( 2 ) t h ep s oa l g o r i t h mw a su s e di nt h ea e r o d y n a m i co p t i m i z a t i o nd e s i g n i n g r e s e a r c hs h o w e d ：c o n s i d e r i n gt h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o no ft h es p e c i f i cw i n df i e l d ， t h e o b j e c t i v e o f m a x i m i z i n gt h e a n n u a l a v e r a g ep o w e r , u s i n gp a r t i c l es w a r m a l g o r i t h mt os e a r c ht h eo p t i m a lg l o b a l f r o mt h eo p t i m a lr e s u l t sw ec o u l df o u n dt h a t t h ed e s i g n i n gr e s u l t so fh o r i z o n t a la x i sw i n dt u r b i n er o t o ri nt h ep a r t i c u l a rw i n df i e l d i so b v i o u s l yb e t t e rt h a nt h ep r e e x i s t i n gb l a d e so nt h es a m ea r e a ，a n dt h es e l e c t e d a p p r o p r i a t er a t e dw i n ds p e e d sw a so b t a i n e d t h u st h ev a l i d i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h e o p t i m a lm o d e lw a sp r o v e d ( 3 ) t h ep s ow a sa p p l i e di nt h ep i t c hr e g u l a t i o no p t i m a ld e s i g n t h ed e s i g nw a s b a s e do nt h ep r o p e rd e s i g n i n gv a r i a b l e sa n dc o n s t r a i n t s ，t h eo b j e c t i v ef u n c t i o n t h e n t h ea e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c ei sc a l c u l a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eo p t i m i z a t i o n d e s i g nf r o mt h ep i t c hr e g u l a t i o nv a l u ew a sl i n e a r l yd i s t r i b u t e d ，a n dt h er e s u l t sw a s c o n s i s t e n tt ot h er e g u l a rt h e o r y ；t h et e n d e n c yo fa l lt h ea e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e v a r i a t i o nw a sc o n s i s t e n tw i t ht h ep i t c hr e g u l a t i o na e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c ec u r v ei n o p e r a t i o n ，a n dt h ee f f e c t i v e n e s sa n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h e p i t c hr e g u l a t i o no p t i m a l m o d e ii ss h o w n k e yw o r d s ：l a r g e s c a l ew i n dt u r b i n e ；a e r o - d y n a m i c a lc o m p u t a t i o n ；n u m e r i c a l s o l u t i o n ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n ；p i t c h i v 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 开展风力发电研究的背景 化石能源日趋枯竭以及大气环境的日益恶化，促使人们寻求新能源与可再生 能源作为补充能源，并在将来极有可能作为替代能源。在新能源与可再生能源中， 风能因其天蕴地成，永不枯歇，且能量密度较大，技术相对成熟，目前最适宜于 大规模的开发利用 1 - 4 l 。 1 1 1 能源需求 我国社会、经济的持续高速发展需要提供巨大的优质能源和电力。我国经济 经过近年来的高速发展，能源问题越来越突出，2 0 0 3 年我国能源消费总量为1 6 7 8 亿吨标准煤，其中有近一半用于发电。国内电力、煤炭能源持续紧张。我国从1 9 9 3 年开始，成为石油净进口国，2 0 0 3 年石油( 包括成品油) 进口量已达1 亿吨，而 我们国家每年生产的石油仅为1 亿多吨。现代很多地方- n 用电高峰，便开始拉 闸限电，严重影响了居民的正常生活和工农业生产，带来了巨大的经济损失。所 以现在整个世界包括我们国家都把能源战略放在了重要的位置。这就迫切要求新 能源的出现1 5 1 0 1 。 1 1 2 环境保护要求 我国以煤电为主的电力结构，给环境保护带来了严重的压力。从1 9 8 0 年亿吨 碳，年均增长率为3 6 2 ；预计2 0 2 0 年中国二氧化碳排放量将达到1 4 1 9 亿吨碳， 年均增长率为3 0 4 5 ，并将跃居世界第一位。2 0 0 2 年二氧化硫的排放量高达 1 9 2 7 万吨，2 3 城市空气质量低于国家二级标准，酸雨问题尤为突出。目前，全 国9 0 的二氧化硫排放是燃煤造成的，大气中7 0 的烟尘是燃煤造成的。大气污 染不仅造成土壤酸化、粮食减产和植被破坏，而且引发大量呼吸道疾病，直接威 胁人民身体健康。在我们发展经济的同时，还要注意留给后代青山绿水，所以进 行无污染的可再生能源开发已摆在我们面前。 1 1 3 可持续发展要求 在我国，资源开发利用与环境保护协调发展的问题已成为我国实施可持续发 展战略急需解决的问题，加快能源建设和保障能源供给一直是经济建设与发展的 重要目标【1 1 1 引。纵观世界能源发展的动向，我们不得不认真思考我国未来能源发 展的走向和策略。近年来，可再生能源利用的迅猛发展特别是风力发电的高速增 长引起了能源界的高度重视。 美国风电发展的目标是到2 0 2 0 年美国的风力发电量从现在占全国发电量的1 增 加到5 甚至更高，并且保持现在的风能发电增长率。加拿大已建成的风电装机 容量为2 3 6 9 m w ，预计到2 0 1 4 年全美洲的总安装量可达到9 5 6 7 7 m w 。 一些亚洲国家也在大力开发风电。风能在印度是发展最快的可再生能源，截 至2 0 1 0 年初累计设置能力已达l 1 0 0 0 m w ，并正在发展之中，现已是仅次于中国， 美国，德国，西班牙的世界第五大风力发电国。日本建成的风力发电规模不大， 到2 0 0 8 年底，风电装机容量为1 8 8 0 m w 。预计到2 0 1 4 年，包括中国在内的亚洲 风电机组装机容量为8 6 3 5 1 m w 。 2 硕七学位论文 1 2 2 国内风电开发状况 我国风能资源储量丰富，据初步估算，我国陆上离地面l o m 高度层的风能资 源总储量为3 2 2 6 亿千瓦，可开发量为2 5 3 亿千瓦；近海( 水深不超过l o m ) 区 域，离海面l o m 高度层的风能储量约为7 5 亿千瓦。因此从宏观上看，我国具备 大规模发展风力发电的资源条件。内蒙、吉林、辽宁已经成为我国风力发电最多 的三个省区，其它各个省区也根据当地的风资源大力发展风力发电事业。近几年 我国风电装机容量连续翻番，初步实现规模化发展，2 0 1 0 年的发展目标提前两年 实现，2 0 2 0 年风电装机有望达到一亿千瓦。中国风能分布面广，风电场建设、并 网发电、风电设备制造等领域成为投资热点，市场前景看好。2 0 0 9 年风电行业的 利润总额仍将保持高速增长，经过2 0 0 9 年的高速增长，2 0 1 0 年我国风电装机容 量增速达7 3 3 ，预计2 0 1 1 年会稍有回落，但增长速度也将达到6 0 以上。2 0 1 0 年全国累计风电装机容量达4 4 7 3 3 2 9 兆瓦，超越美国居全球第一位，提前实现 2 0 2 0 年的规划目标。风电的机遇极为巨大。京能热电( 6 0 0 5 7 8 ) 公司出资3 3 亿 元对国华能源增资( 拥有1 5 股权) 成为其第二大股东，国华能源已经成为国内占 有风电资源最多、开发风电项目最大的一家公司，拥有风力资源1 1 0 0 万千瓦，已 经建成张家口和汕尾的风力发电基地，正在开发的项目包括江苏东台风电项目( 总 投资8 5 亿元) 、河北尚义县满井风电场( 总投资9 0 亿元) 、内蒙古锡林郭勒盟灰 腾梁风电场( 总投资8 0 亿元) 、呼伦贝尔新右旗风能发电工程( 总投资8 0 亿元) 以及广东陆丰等多个项目。0 9 年1 月，公司拟投资3 0 0 万元对巴林右风电进行增 资，持有巴林右风电5 0 股份。巴林右风电负责内蒙古京能国际巴林右风电场项 目建设的前期工作，其巴林右风电场规划容量i o o m w ，一期工程拟装机容量 4 9 5 m w ，需安装1 5 0 0 k w 机组3 3 台1 1 4 j 。 1 3 国内外风力机研究状况 长期以来，各国学者对水平轴风力机进行了各种研究。风力机气动优化设计 可分为两部分进行，首先进行理论最优设计，然后对理论优化结果进行适当修正， 决定桨叶的弦长和安装角分布【”】。早期的理论优化设计方法是由动量一叶素理论 发展为考虑风轮气流诱导转动的w i1 s o n 法和g l a u e r t 修正法，虽其理论模型已相 当成熟，但由于气动问题的复杂性及研究条件的限制，许多问题至今还没有得到 解决。因此，解决气动优化设计问题的关键在第二步，即对理论优化设计结果进 行修正，这需要确定优化设计目标，讨论各种参数对风轮气动性能的影响，而这 方面的工作需要各国学者进行更深入的探讨与研究。随着计算机技术和计算流体 力学发展的突飞猛进以及三维流场动态测试技术的进步，为水平轴风力机的研究 和分析提供了有利条件。风力机气动性能计算与优化是风力机设计和校核中重要 3 大型水、f 轴风力机叶片气动外形的优化设计 。设计出的风力机总体参数和叶片气动外形之后，计算其气动性能，可以 设计结果的评价：反之，气动性能计算结果可以作为反馈，为修正叶片气动 供数据：风力机叶片强度、刚度以及稳定性的校核，也有赖于气动计算结果。 气动性能模型按其建立的理论基础划分主要可分为两类。一类以叶素动 为基础，如g l a u e r t 方法和w i l s o n 方法；另一类以自由尾涡理论为基础。 角度看，前一类模型比较方便，特别是w i l s o n 方法，经过修正后得出的结 果与自由尾涡理论模型十分吻合，因此在风力机气动优化设计中得到了广泛的应 用。 水平轴风力机气动性能方面的研究现状： 文献 1 6 1 7 基于片条理论建立了水平轴风力机气动性能计算模型，考虑叶尖 损失、轮毂损失、叶栅理论及失速状态下动量理论的失效对片条理论进行了修正， 并且考虑了风剪切、偏航、风轮的结构参数和风力机安装参数对计算模型的影响， 使得理论模型更接近于实际工况中的风力机。应用所设计的气动性能计算程序对 一台1 3 m w 的失速调节风力机进行了气动性能计算，与国外大型商业软件的计算 结果取得了良好的一致性，从而验证了模型的正确性和实用性。文献 1 8 针对风轮 叶片气动设计与诱导因子( 轴向诱导因子和周向诱导因子是其气动设计和性能计 算的关键问题) 计算较为烦琐的特点，根据动量叶素理论的g l a u e r t 方法和w ils o n 方法，采用v i s u a lb a s i c 语言并考虑普朗特的叶尖损失修正因子，开发了风力机 设计程序和诱导因子计算程序，并通过对8 k w 风力机叶片进行初步设计与各断面 的诱导因子的计算实例验证了程序的可行性。设计计算结果表明，该程序可快速 完成风力机设计与诱导因子的计算。文献 1 9 提出了对水平轴风力机风轮气动性 能的数值解法，该方法是一种以有限叶片数的旋涡气动模型为依据，用有限差分 法求解描述该模型的积分微分方程，可建立一种确定水平轴风力机风轮气动性能 的计算方法。该方法不只用于风轮气动正问题的求解，同时还可作为风轮气动优 化设计的依据。该方法在h e 茹可夫斯基所提出的转轮旋涡气动模型和他所推 导的求解诱导速度的表达式以及求环量分布的积分微分方程的基础上，将积分方 程已有的解法进行了改进，从而得到该方程的数值解法，并提出两种求解转轮气 动性能的数值解法，最后给出了风轮气动性能的几种算法比较，以说明所给方法 的有效性。本课题将从这一出发点出发来对水平轴风力机的气动性能计算和优化 设计进行深入研究。 水平轴风力机气动优化设计方面的研究现状： 文献 2 0 1 采用修正的w i l s o n 方法，简述风力机气动优化设计的模型和方法， 分析风力机桨叶外形变化对气动性能的影响，指出气动忧化设计应考虑的优化目 标和主要参数，并根据该方法对2 0 0 k w 定桨距风力机进行气动优化设计，给出优 化结果并加以分析比较，得出风轮实度对风力机有一定的影响，高转速的风力机 4 硕+ 学位论文 实度小点好，低转速的风力机实度大点好，另夕f 、叶片= 安装角对叶轮性能影响也很。 大，应根据具体厂址和风况对安装角进行仔细考虑。文献 2 1 。2 2 分别用w i l s o n 法和复合形优化法对6 0 0 k w 水平轴风力机风轮进行了气动设计，对比德国x w e c j a c o b s6 0 0 k w 产品，前者设计的叶片弦长偏大，后者叶片尺寸与产品较吻合。为 验证所设计的风轮性能，使用f l u e n t 软件进行了数值模拟。结果表明，w i l s o n 法设计的风轮功率误差为1 2 3 ，而复合形优化法使用以风轮功率系数最大为优 化的目标函数，并开发出通用、方便的程序，最后通过数值模拟得出风轮功率误 差为4 6 ，优于w i l s o n 设计法。邓兴勇等【2 3 】使用涡流理论获得叶片弦长分布， 根据经验降低叶根和叶尖弦长，增加0 5 r o 8 r 区域的弦长，采用翼型最佳特性 下的简化模型优化扭角，以轴功率为设计目标，使用w r d 2 0 软件包计算，获得的 叶轮比丹麦产品具有更高的年发电量。刘德庸1 2 4 j 根据涡流模型，提出考虑涡流运 动、翼型阻力、叶片数等因素的方法，目标函数以保持风轮实度最小进行优化， 提高了翼型对工况变化的适应性。张维智等【2 5 】使用w i l s o n 法进行叶片气动设计， 优化弦长，并提出安装角可不需要优化，以功率系数为目标函数，获得了高效率 的风轮。胡士山等【2 6 l 利用w i l s o n 方法进行叶片气动设计，以一定数量的叶片截 面的弦长和安装角作为变量，以加权出功最大为优化的目标，应用转轴直接搜索 可行方向法进行优化，获得叶片外形。刘雄等1 2 7j 使用片条理论和复合形法设计风 轮，以年输出量为设计目标，综合考虑翼型气动特性、桨叶截面间的约束和风速 分布，以弦长和扭角为设计变量，获得结果与丹麦产品吻合良好。文献【2 8 2 9 】 为提高风力机将风能转化为机械能的效率，根据我国西北地区的风频风能曲线， 用最优设计攻角沿叶片轴线的非线性分布修正传统w ils o n 算法，优化设计大型水 平轴风力机叶片的气动性能。该优化设计利用m a t l a b 优化工具箱，优化速度干涉 因子的迭代计算，提高计算效率；考虑多翼型和变攻角等因素对叶片外形优化的 影响，从结构及加工工艺角度修正翼型。通过对1 2 m w 风力发电机组叶片外形的 气动性能计算和优化设计，结果表明该优化设计的有效性和可行性，可为风力机 叶片外形设计提供参考。 综上所述，现行的叶素一动量理论以( h g l a u e r t ) 方法给出了风轮的一种气 动计算方法，以获取最优风轮的几何参数及其气动性能。但为简单计算，风轮却 被做了无穷多叶片数无限小翼型弦长的假设，还假设环量沿径向不变，即把风轮 当作一布满环量的涡层，即为“圆盘理论。这种做法的实质是用沿某圆周上的平 均诱导速度代替了在该圆周半径处的叶片断面那里的真实诱导速度。由威尔森 ( w il s o n ) 所给的“片条( s t r i pt h e o r y ) 理论 中，其旋涡模型仍未放弃定环量 的假设，而且还用了一些经验或近似的公式，因而按之所进行的风轮气动计算仍 有一定的局限性，带来了真实来流速度以及风轮气动计算的不准确性。、就目前而。 言，针对水平轴风力机的气动性能计算与优化设计的方法很多，但深入探讨风力 5 大型水、i 轴风力机叶片气动外形的优化设计 机叶片各截面间的约束，桨叶扭曲，叶片的颤振，来流的不稳定性和三维特性等 众多因素对气动性能可靠性影响的研究还不是很健全，这就需要相关研究学者对 气动特性有更进一步的了解与探讨，风轮性能计算和可靠性才能有所提高。 为了能够得到更准确的气动计算结果，本课题研究将采用一种基于有限叶片 变环量的气动模型。该气动模型与实际风轮运行更相符，因此由该模型计算得到 的风轮气动优化结果( 风能利用系数，风轮轴向力系数，桨叶各断面处的力矩系 数) 比其它方法的结果更加准确。 1 4 风力机气动性能研究存在的问题 虽各国学者对水平轴风力机气动性能模型的建立和计算都进行了各种研究， 也对出现的风力机经典理论提出修正和改进，但由于空气通过风力机叶片的流动 是一种很复杂的流动现象，他涉及到流动在空间上的三维性，在时间上的非定常 性以及空气粘性等多种复杂因素，无论是要严格准确的建立气动模型还是准确的 计算气动性能目前来说还存在不可克服的困难。经典的贝茨理论采用了诱导速度 均匀的假设，且不能涉及风轮叶片的几何特性，同时它忽略了翼型阻力，叶尖损 失等因素的影响，而且对工况的敏感性很强，即只能在一种工况条件下保持最优 化。这显然就带来了真实来流速度以及风轮气动计算的不准确性。在叶尖速比改 变时，其风能利用系数急剧下降。在分析桨叶处于失速状态时的特性时，此方法 的精确度下降很大，因此具有很大的局限性。动量一叶素理论虽是目前应用最广 泛的风力机设计理论，形式简单，计算量小，对于风力机整机的初始性能预估可 达到一定的准确效果，但动量一叶素理论是基于叶素的圆柱层流动无关性假设， 并未考虑流体在叶片展向的流动。当相对速度来流角较大时，即叶片发生一定程 度的失速时和诱导速度过大的区域，例如叶尖附近和尾涡干扰区附近，都不满足 该理论的假设，因此在这些区域动量一叶素理论不是严格正确的。根据h e 茹 可夫斯基所提出的转轮旋涡气动模型所建立的有限叶片变环量的风力机风轮气动 模型，该模型虽考虑叶素绕流分析，沿叶片展向分布的环量和下洗角，旋涡诱导 速度的准确分析与计算，但在做气动计算时仍采用一些假设，即风轮过流是无粘 性不可压势流，粘性的影响可在翼型的阻力系数中考虑；风轮后的尾涡形状不受 该涡诱导速度的影响，即尾涡是位于圆柱面上的升角一定的螺旋线；作用于微段 叶素上的气动力可用翼剖面理论所给方法，这时只需考虑旋涡系统在叶片不同半 径位置处造成的下洗速度和下洗角即可。且在环量的求解过程中，用了一勉强的 假定，即a r c t a n ( w w )