（机械设计及理论专业论文）风力机翼型通用型线理论及叶片形状优化研究.pdf

中文摘要 摘要 风电技术是集空气动力学、材料力学、工艺制造学、气象学、电机学、自动 控制学、电力传输、保护与控制等多学科于一体的综合性技术，经过近一个世纪 的发展，已迅速成为初具规模的新兴产业，市场潜力非常巨大。中国风力发电发 展了2 0 多年，风力发电量仅占全国电力总量的极少部分，国内风电发展水平明显 滞后欧美发达国家。按照国家规划，未来1 0 年我国风电装机容量年增长率将保持 在4 0 以上。叶片作为风力机中最关键的部件之一，对其开展创新性的研究工作， 设计研究出新型、高效的翼型以及叶片就显得尤为必要。 在国家自然科学基金项目( 编号：5 0 7 7 5 2 2 7 ) 和重庆市自然科学基金重点项目 ( 编号：c s t c ，2 0 0 8 b c 3 0 2 9 ) 资助下，本文提出了“风力机翼型通用型线理论及叶片 形状优化研究”的研究课题。在综合国际国内相关研究的基础上，对表征风力机翼 型型线本质特征的根本因素一翼型型线的函数表达式构成方式以及叶片的形状进 行了创新性研究。从翼型型线出发，集成现有翼型的共有特性，提出了翼型的通 用表达式，设计出了性能优越的风力机翼型。从叶片的形状和结构特性出发，以 叶片形状参数为变量，优化设计出了高效的风力机叶片。论文完成的主要研究工 作和取得的研究成果主要有： 1 ) 在叶片翼型的研究中，提出了翼型型线的集成设计理论和方法，研究了保 角变换理论及其在翼型设计过程中的应用，引入了级数思想，推导出了能够广泛 应用的翼型集成的级数表达形式，构造出了三种典型的翼型曲线，最后对常用的 翼型进行了集成表达，并比较分析了级数项对翼型形状的影响，验证了函数表达 方程的集成性和通用性。 2 ) 研究了风力机翼型周围流场的变化规律，对翼型的空气动力学特性参数： 压强分布系数、升力系数、阻力系数以及俯仰力矩系数等进行了理论计算分析。 并对翼型的静态失速、动态失速以及表面粗糙度敏感度等现象进行了研究，探讨 了翼型各气动特性参数和翼型入流攻角之间的变化关系。在原程序基础上，应用 f o r t r a n 汇编语言对x f o i l 软件进行了二次开发，实现了翼型气动性能的自动 运行计算。 3 ) 针对提出的翼型型线函数表征式，将翼型的参数化优化转变成函数化优化， 比起传统的反设计方法，提出了一种更为全局性的直接、高效的全新翼型优化设 计方法。以翼型的升阻比为目标，以翼型表征式的系数为设计变量，建立了翼型 的优化设计模型，设计得到了性能较为优越的翼型。在相同雷诺数和相对厚度下， 重庆大学博士学位论文 对优化翼型和工业中的现有翼型进行了性能计算比较。同时分别研究了翼型在紊 流和湍流下压强，升力以及阻力的变化关系。 4 ) 研究了风力机的动量叶素理论，对比分析了目前已有的风轮叶尖损失因子 修正模型。基于传统的风力机空气动力学以及s h e n 叶尖损失因子修正模型推导给 出了新的风力机轴向因子和周向因子的计算模型，应用该模型对欧盟实验项目 ( m e x i c o ) 的风轮进行了计算，给出了该风轮的诱导因子、法向力系数、切向力系 数以及输出功率等空气动力学特性。为了进一步验证该模型的可靠性，将该风轮 的理论计算结果和实验数据进行了比较，结果的吻合证明了该模型的准确性。 5 ) 针对风力机叶片，建立其结构动力学方程，推导分析了叶片旋转所产生的 振动速度及其对来流的影响。基于b e m ( b l a d ee l e m e n tm o m e n t u m ) 理论，在风力机 空气动力学基础上，建立了风力机的气动耦合分析模型。分析计算叶片在额定工 作风速下的振动变形、速度、加速度以及叶片沿展向的变形和载荷分布。充分考 虑叶片的结构振动特性与来流风速的耦合效应，使得风力机空气动力学特性模型 变得更加准确。 6 ) 在风力机优化设计过程中，考虑了法向力和切向力的叶尖损失，建立了风 力机叶片的空气动力学模型，探讨了风力机成本和输出能量之间的关系，建立了 风力机单位输出能量成本的数学模型，以其为优化设计目标，以叶片的形状参数 弦长、扭角和相对厚度为优化设计变量，提出了叶片的优化设计数学模型。完成 风力机叶片的优化设计，并对优化结果进行了比较分析，验证了优化叶片的工作 性能。 关键词：风力机叶片，翼型通用型线，空气动力学，气动弹性，集成优化设计 英文摘要 a b s t r a c t w i n dp o w e rt e c h n o l o g yi sas y n t h e s i st e c h n o l o g yw h i c hi sc o n s i s t e do f a e r o d y n a m i c s ，m a t e r i a lm e c h a n i c s ，m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y ，m e t e o r o l o g y ， e l e c t r o m e c h a n i c s ，a u t o m a t i cc o n t r o le n g i n e e r i n g ，p o w e rt r a n s m i s s i o n , p r o t e c t i o na n d c o n t r o la n ds oo n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i n dp o w e rs i n c el a s tc e n t u r y ，w i n d t u r b i n ei n d u s t r yb e c o m e sar i s i n gi n d u s t r yw h i c hh a sal a r g ea n dp o t e n t i a lm a r k e t t h e w i n dp o w e ri nc h i n ah a sb e e nd e v e l o p e df o r2 0y e a r si nc h i n a , b u tt h el e v e lo fi n s t a l l e d w i n dp o w e ri sv e r yl o wa n dt h es h a r ei sv e r ys m a l l a c c o r d i n gt ot h ep l a no fc h i n e s e g o v e r n m e n t ，t h ei n c r e a s i n gr a t eo fw i n dp o w e rw i l lb em a i n t a i n e da b o u t4 0 i nt h en e x t 10 y e a r s t h e r e f o r e ，a sak e yc o m p o n e n to fw i n dt u r b i n e s ，t h ed e s i g no fe f f i c i e n ta i r f o i l s a n db l a d e sh a sag r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h ed e v e l o p m e n to fw i n dt u r b i n e s t os t u d yt h ei n h e r e n c eo fa i r f o i lp r o f i l e sa n db l a d es h a p e s ，t h ed i s s e r t a t i o n p r o p o s e sas t u d ye n t i t l e d s t u d yo ng e n e r a l i t yo fa i r f o i lp r o f i l e sa n do p t i m i z a t i o n d e s i g no fb l a d es h a p e sf o rw i n dt u r b i n e s ”，s p o n s o r e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no fc h i n a ( n o ：5 0 7 7 5 2 2 7 ) a n dn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h o n g q i n g ( n o ：c s t c ，2 0 0 8 b c 3 0 2 9 ) b a s e do nt h ec o m m o nc h a r a c t e r i s t i co fa i r f o i l s ，a ni n t e g r a l a n dg e n e r a le x p r e s s i o no fa i r f o i l si sp r e s e n t e da n dt h en e wa i r f o i l s 、i t l lg o o d p e r f o r m a n c ea r ed e s i g n e d t h ee f f i c i e n tb l a d e sf o rw i n dt u r b i n e sa l s oa g ed e s i g n e d 、析t l l c h a n g i n gt h es h a p ea n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r s i nt h ed i s s e r t a t i o n ，t h em a j o rw o r ka n d t a s k sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 ) b a s e do nt h ec o n f o r m a lt r a n s f o r m a t i o na n ds e r i e st h e o r y ，a ni n t e g r a t i o n e q u a t i o nw a sd e v e l o p e df o re x p r e s s i n ga i r f o i lp r o f i l e s f r o mt h ei n t e g r a t i o ne q u a t i o n , t h r e et y p i c a lp r o f i l e sw e r ep r e s e n t e d i no r d e rt os e et h eg e n e r a l i t yo ft h ei n t e g r a t i o n e q u a t i o n , t w ok n o w n a i r f o i l sw e r ea b l et ob ee x p r e s s e d t h ei n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so f c l a s s i c a la i r f o i lp r o f i l em o d e l sa r eb r o k e nt h r o u g ha n dt h ed e s i g nm e t h o do fa i r f o i l p r o f i l e sf o rw i n dt u r b i n e si sb r o a d e n 2 ) b a s e do nt h es o l u t i o no ff l o wa r o u n da na i r f o i l ，t h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o n c o e f f i c i e n t ，t h el i f tc o e f f i c i e n t ，t h ed r a gc o e f f i c i e n ta n dt h ep i t c hm o m e n tc o e f f i c i e n to f a na i r f o i lw e r ec a l c u l a t e d s t a t i cs t a l l ，d y n a m i cs t a l la n dr o u g h n e s ss e n s i t i v i t yo fa n a i r f o i lw e r ea l s oe x a m i n e d t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ea e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n d i i i 重庆人学博+ 学位论文 t h ea n g l eo fa t t a c kw e r ei n v e s t i g a t e df o ra i r f o i l s b a s e do nt h ec o d eo fx f o i l ，an e w e x ec o d eu s i n gf o r t r a ni sd e v e l o p e dt oc a l c u l a t et h ec h a r a c t e r i s t i c so fa i r f o i l s a u t o m a t i c a l l y 3 ) b e s i d et h eg e n e r a li n v e r s ea i r f o i ld e s i g nm e t h o d ，ad i r e c t l ya n de f f i c i e n td e s i g n m e t h o dw h i c hc h a n g e sf r o mp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nt of u n c t i o n a lo p t i m i z a t i o nw a s p r e s e n t e d u s i n g t h eo p t i m i z a t i o n m o d e l ，t h ea i r f o i l s 晰t 1 1g o o da e r o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sw e r ed e s i g n e d t h ep e r f o r m a n c eo ft h ed e s i g n e da i r f o i l sw e r ei l l u s t r a t e d a n dc o m p a r e dw i t ht h ea i r f o i l sw h i c ha r ew i d e l yu s e df o rw i n dt u r b i n e s c o m p u t a t i o n s f o rb o t hf r e ea n dt u r b u l e n tf l o w sp a s tt h en e wa i r f o i l sw e r ea l s om a d et os h o wt h e r o u g h n e s ss e n s i t i v i t yo ft h ea i r f o i l s 4 ) o n ed i m e n s i o n a lb l a d ee l e m e n tm o m e n t u mt h e o r ya n dt i pl o s sc o r r e c t i o n m o d e l sw e r ei n t r o d u c e dt os i m u l a t ef l o wp a s taw i n dt u r b i n er o t o r b a s e do nt h e t r a d i t i o n a la e r o d y n a m i c sa n ds h e n st i pl o s sc o r r e c t i o nm o d e l ，an e wc o m p u t i o nm o d e l o fa x i a la n dt a n g e n t i a li n d u c t i o nf a c t o r sf o rw i n dt u r b i n er o t o r sw a sp r e s e n t e d u s i n g t h i sm o d e l ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h em e x i c oe x p e r i m e n t a lr o t o rw a sc a l c u l a t e d c o m p a r i s o nb e t w e e nt h er e s u l t sa n de x p e r i m e n td a t as h o w e dt h a tt h em o d e lw a s c r e d i b l e 5 ) a i m i n ga tt h ef l e x i b i l i t yo fw i n dt u r b i n eb l a d e s ，t h e s t r u c t u r a ld y n a m i c e q u a t i o n so fb l a d e sw e r ec o n s t r u c t e d t h ev i b r a t i o nv e l o c i t yo fb l a d e sa n dt h er e l a t i v e f l o wv e l o c i t yw e r ec a l c u l a t e du s i n gas t r u c t u r a ld y n a m i cm o d e l b a s e do nt h eb l a d e e l e m e n tm o m e n t u mt h e o r ya n dt r a d i t i o n a la e r o d y n a m i c s ，t h ec o u p l i n gm o d e lf o r 研n d t u r b i n e si n c l u d i n gt h ea e r o e l a s t i c i t ya n dt h ea e r o d y n a m i c sw a sd e v e l o p e d t h ev i b r a t i o n d e f l e c t i o n , t h es p e e d ，t h ea c c e l e r a t i o na n dt h el o a do ft h eb l a d e sw e r ec a l c u l a t e da tt h e r a t i n gw i n ds p e e d t h ea e r o d y n a m i cm o d e lo fw i n dt u r b i n e sb e c a m em o r ea c c u r a t e b e c a u s eo ft h ec o u p l i n ga n a l y s i sb e t w e e nt h ev i b r a t i o ns p e e do fb l a d ea n dt h ew i n d s p e e d t h er e s u l t sh a dv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et ot h ed e s i g no fw i n dt u r b i n e s 6 ) f o rt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no f 、析n dt u r b i n e s ，t h ea e r o d y n a m i cm o d e lo fw i n d t u r b i n e sw h i c hi n c l u d e dt h et i pl o s sf o rt h en o r m a la n dt a n g e n t i a lf o r c e sw a sg i v e n t h e c o s tm o d e lo ft h ew i n dt u r b i n e sa n dt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nm o d e lw e r ed e v e l o p e d i n t h eo p t i m i z a t i o nm o d e l ，t h eo b j e c t i v ew a st h em i n i m u mc o s to fe n e r g ya n dt h ed e s i g n v a r i a b l e sa r et h ec h o r d ，t h et w i s ta n g l ea n dt h er e l a t i v et h i c k n e s s f i n a l l y ，t h e o p t i m i z a t i o nw a sd o n ef o rt w or o t o r su s i n gt h i so p t i m i z a t i o nd e s i g nm o d e l t h e w 英文摘要 p e r f o r m a n c eo ft h eo p t i m i z c db l a d e sw a sv f l i d a t e dt h r o u g hc o m p a r i s o na n da n a l y s i so f t h er e s u l t s k e y - w o r d s ：w i n d t u r b i n eb l a d e s ；a i r f o i l p r o f i l e se x p r e s s i o n ；a e r o d y n a m i c s ； a e r o e l a s t i c i t y ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n v 学位论文独创性声明 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 导师签名： 萎够和 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以。 下简称“章程”) ，愿意将本人的遥士学位论文堂塑爨型塑型垒堕塑够碍删叼究 提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数 据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文 数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论 文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内 容。 作者签名立塑鑫 导师签名噍造。 洲年岁月2 雪日 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书乃，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至： 年一月一日。 说明：本声明及授权书堂塑装订在提交的学位论文最后一页。 1 绪论 1绪论 1 1 引言 风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴含量巨 大，全球的风能约为2 7 4 x 1 0 9 m w ，其中可利用的风能为2 x 1 0 7 m w ，比地球上可开 发利用的水能总量还要大1 0 倍。中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能 储量约2 5 3 亿千瓦。随着全球经济的发展，风电市场也迅速发展起来。近5 年来， 世界风电市场每年都以4 0 的速度增长。预计未来2 0 一2 5 年内，世界风电市场每年 将递增2 5 。 世界能源危机为风电发展提供了机遇，但由于起步较晚，存在很多不确定因 素阻碍风电行业的发展。我国风电行业发展比较迅速，但与国际风电行业的发展 水平还有很大差距，国内的风电发动设备主要依靠进口，对外依赖性强，虽然风 电成本已下降很多，但相比火电成本的优势在短期内并不会明显突出，风电行业 的发展还有很多的阻碍因素。正是风电行业投资的高风险，必然为风电行业发展 带来高收益，不论是风电产业的经济效益、对社会的效益，还是我国目前奉行的 可持续发展和节约战略，这些都为发电行业提供了很大的发展空间【l 。1 1 。 人类用风力发电机将风能转化为电能的过程叫风力发电。风电场设备一般包 括风电机组、辅助设备和其它配套设施，如图1 1 。世界第一台用于发电的风力机 于1 8 9 1 年在丹麦建成，但由于各种原因未能成为电网中的电源，直到1 9 7 3 年发生 石油危机，美国、西欧等国家为寻求替代化石燃料的电源，投入大量经费，研制 现代风力发电机组，开创了风能利用的新时代。进入2 0 世纪8 0 年代，世界各国都 竞相发展风电事业，利用风能的步伐不断加快，风电规模逐步壮大。此后，世界 上风力发电技术发展迅速，单机容量已达到兆瓦级，如丹麦v e s t a s 公司生产的 v 6 6 1 6 5 m w 、v 6 6 1 7 5 m wv c s 、v 8 0 一2 m wv c s 、v 9 0 3 m wv c s 风力机组，丹 麦n e gm i c o n ( 现v e s t a s ) 公司生产的n m l 5 0 0 c 6 4 、n m 2 0 0 0 7 2 已形成系列产品， 丹麦s i e m e n s 公司生产的s w t 2 3 8 2 v s ，s w t 2 3 9 3 ，s w t 3 6 1 0 7 风力机组。2 0 0 2 年，德国e n e r e o n 公司推出的e 11 2 型机组，风轮直径达到11 2 m ，额定功率4 5m w ； 其次是美国g e 公司的g e 3 6 型机组，叶轮直径1 0 0 m ，额定功率3 6 m w 。目前，德 国r e p o w e r 、s y s t e m s 、a g 等公司推出的单机容量已达5 m w t l 2 】。 重庆大学博+ 学位论文 图1 1 风力发电系统的组成 f i g 1 1t h ee l e c t r i c i t yg e n e r a t i o ns y s t e mf r o m 、析n de n e r g y 从2 0 0 0 年开始，全球风能进入了快速发展时期，图1 2 为全球每年新增的风 电机组容量，其中2 0 0 6 年全球新增风电机组容量达1 5 1 9 7 m w 。据预测，到2 0 2 0 年底，风电在全球的装机容量几乎可以达到1 2 亿k w ( 1 2 0 万m w ) 。这代表年发电 量共有3 万亿k w h ( 3 0 0 0 t w h ) ，相等于世界电力需求的1 2 。2 0 0 5 年2 月我国制 定的可再生能源法做出了2 0 1 0 年风能不少于4 0 0 万千瓦，2 0 2 0 年风能不少于 2 0 0 0 万千瓦装机总量的规划；2 0 0 5 年1 1 月，我国发改委将2 0 2 0 年风能装机总量 的规划由不少于2 0 0 0 万千瓦提高到不少于3 0 0 0 万千瓦，风电产业在我国进入新 的大发展时期。截止到2 0 0 5 年底，中国除台湾省外累计风电机组1 8 6 9 台，装机 容量1 2 4 6 万k w ，风电场6 2 个。分布在1 5 个省( 市、区、特别行政区) 。国内 风电产业目前每年年产量不超过1 0 万千瓦与1 7 亿千瓦的市场需求相比，只不过 是刚刚起步，风电产业是一个1 0 0 年都将有着巨大发展空间的朝阳产业。以千瓦 造价8 , 0 0 0 人民币计算，我国未来十五年将有2 4 0 0 亿的风能市场；风电产业在我 国进入新的大发展时期。随着人们对风力发电的重视，风力机近年来得到了广泛 的应用和发展。现在，风能发电成本已经下降到1 9 8 0 年的1 5 。随着技术进步和 环保事业的发展，风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争。 2 1 绪论 l 明1 51 9 9 1 61 9 9 r 71 9 s 瞎1 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 42 0 0 5 2 0 0 6 图1 2 全球每年新增的风电装机容量 f i g 1 2n e w l yi n - s t a l l e dc a p a c i t yo f t h ew o r l d w i d ew i n de n e r g y 1 2 研究背景 风电技术是集空气动力学、材料力学、工艺制造学、气象学、电机学、自动 控制学、电力传输、保护与控制等多学科于一体的综合性技术。风力机叶片作为 风力发电机中最关键的部件之一，达到整机价值的2 0 左右，其良好的设计、可 靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。风力机的运行效率 直接与叶片的空气动力设计有关，包括叶片翼型、长度、沿纵向翼型的分布和扭 角等。而叶片的内部结构、材料、制备工艺等直接影响风力机的成本、振动、寿 命、强度和疲劳特性、机组载荷等性能。随着风力机向大功率的发展，叶片的结 构、材料和工艺就更凸出其重要性，世界各国叶片研究、设计与制造者无不对其 高度重视。根据我国发改委的有关政策，由政府主持招标建设的特许权风电场项 目对机组设备有国产化率不低于7 0 的要求，不满足设备国产化率要求的风电场 不允许建设，进口设备海关要照章纳税。同时强调，高度重视风电设备制造的国 产化。由此可见，提高风电设备国产化比例是必然趋势。 全球风叶三大制造商丹麦的l m 公司、v e s t a s 风力系统公司和德国的e n e r c o n 公司也己捷足先登，相继在我国投资建厂。l m 公司2 0 0 5 年的销售额达到了2 9 亿欧元，创造利润5 5 0 0 万欧，计划今年销售额增长2 5 ，利润增长1 0 。v e s t a s 公司预计今年的市场额将达到3 2 亿欧元，比去年计划增长8 。德国的e n e r c o n 公司去年装机容量达到1 0 1 g w ，占到世界市场的1 3 2 。同时，联创股份收购德 国诺依风力发电机叶片厂已进入实质运作阶段，联创公司董事长和德国诺依风力 发电机叶片厂首席执行官均对此次战略合作充满信心。德国诺依风力发电机叶片 厂年产2 0 0 套风机叶片，销售额4 8 亿元，利税2 1 5 0 万元。联创公司将利用诺依 3 重庆大学博士学位论文 的技术、许可证、商标及模具制造优势在中国建立叶片厂，力争在2 0 1 0 年占世界 1 0 的市场份额。公司的发展规划：2 0 0 6 年风机1 0 0 m w ，占市场份额0 5 6 ，销 售收入5 6 亿；叶片2 0 0 套，占市场份额1 7 ，销售收入2 4 亿；2 0 0 7 年风机2 0 0 m w ， 占市场份额0 9 9 ，销售收入1 1 2 亿；叶片4 0 0 套，占市场份额2 7 2 ，销售收入 4 8 亿；2 0 0 8 年风机4 0 0 m w ，占市场份额1 4 5 ，销售收入2 2 5 亿；叶片1 0 0 0 套，占市场份额5 4 4 ，销售收入1 2 亿；2 0 1 0 年风机1 0 0 0 m w ，占市场份额2 5 ， 销售收入5 6 亿；叶片2 0 0 0 套，占市场份额7 5 6 ，销售收入2 4 亿 1 3 - 1 9 | 。 风力机叶片的国产化程度低下严重影响了我国风电产业的发展。为打破风电 技术领域的国际垄断，推动我国风电技术领域自主知识产权创新，缓解我国日益 严峻能源形势，风电核心技术国产化已成为我国风电产业发展的必然趋势。伴随 近两年来中国风能市场的集聚发展和实际需求，丹麦l m 公司在天津投资建立的 风力发电机叶片生产企业艾尔姆玻璃纤维制品( 天津) 有限公司，首期投资7 0 0 万美元，此后又追加投资1 8 0 0 万美元，其叶片规格由原来的最长3 4 米调整到3 7 米，主要用于中国未来主流机型1 5 兆瓦风力发电机的装配。风力发电设备领域世 界第一的丹麦v e s t a s 集团，在天津泰达开发区投资的风机叶片生产厂，其投资额 约为3 0 0 0 万美元，生产长度为3 9 米的v 8 0 型2 兆瓦风机叶片。e n e r e o n 是德国的 风力机组整机制造商，其制造的大型风力机e “2 ，容量4 5 兆瓦，叶片长5 4 米， 重2 0 吨。目前，该公司也有意进入中国风力机组及叶片市场。此外，我国中复集 团从德国引进整套1 5 兆瓦风力发电复合材料叶片制造技术，在连云港建立了叶片 生产基地。该叶片工业园项目占地面积5 0 2 亩，规划年产叶片1 0 0 0 套，单套叶片 长度为3 7 5 米，项目分两期建设。此次开工建设的为一期项目，建筑面积8 万平 方米，可年产5 0 0 套叶片，计划于年内建成投产。这些都为我国自行研制和生产 叶片带来了经验。上海玻璃钢研究所就是通过引进国外的产品以及对系列风力叶 片的研究开发和小批量生产，积累大型风力叶片结构设计、静动测试、模具装备 研制、工艺和质保系统方面的经验，培养一支专业配套的科研队伍及技术人员， 较好地消化吸收引进技术，并进一步推进自主研发2 兆瓦等其他规格的产品。 可以看出，叶片的设计制造作为风力机设计与开发的关键与难点问题，其核 心技术一直被国外的大型企业所掌握，要想推动风电产业在我国的大力发展，叶 片设计制造的国产化进程势在必行。从叶片形状设计出发，本文对此开展创新性 的研究工作，以设计研究出具有自主产权的新型、高效的风力机翼型以及叶片。 1 3 本论文研究目的和意义 1 3 1 本文的研究目的 课题旨在针对形状复杂的风力机翼型叶片展开具有普遍意义的研究。对表征 4 l 绪论 翼型型线本质特征的根本因素一翼型型线的函数表达式的构成方式本身进行创新 性研究。利用级数思想，用多项式方程表征任意可能的翼型型线数学模型，原有 翼型型线数学模型集成在该多项式方程数学表达式中，突破原有翼型型线数学模 型固有特性对翼型升阻比的限制。寻找具有最佳性能的翼型型线数学模型，建立 通用翼型型线集成表征形式，从而获得具有更好性能的翼型型线。对影响风力机 叶片形状设计的多学科复杂耦合关系进行深层次的探讨，揭示空气动力特性、叶 片结构特性、风机功率特性等多学科作用于叶片的耦合机理，提出基于多学科分 析集成的风力机叶片形状优化方法，形成风力机叶片翼型自主设计的新理论和新 方法，设计出具有多学科集成优势的新型风力机叶片翼型，奠定风力机叶片的研 究和工业应用前景。 1 3 2 本文的研究意义 本课题研究来源于国家自然科学基金项目“基于曲面泛函及多学科耦合的风 力机叶片设计理论研究( 项目编号：5 0 7 7 5 2 2 7 ) 和重庆市自然科学基金重点项目“风 力机叶片翼型集成设计理论和方法研究( 项目编号：( c s t c ，2 0 0 8 b c 3 0 2 9 ) ) ”。在总 结国内外最新理论成果的基础上，针对现有研究中存在的问题，研究具有高升阻 比性能的风立机翼型型线和型线的集成理论及其型线形状优化方法，同时在耦合 多学科理论基础上，研究提出风力机叶片的优化设计方法。研究风力机叶片翼型 型线应具有怎样的函数特性，该函数的数学模型如何表达，该数学模型表征的几 何曲线具有怎样的空气动力学特性，如何对该几何曲线进行形状优化等根本问题， 对于建立翼型型线的完整理论，并根据风电场的实际情况构造出各种具有最佳性 能的翼型型线，具有重大的理论意义和工业应用价值。 本课题打破了传统的叶片翼型设计思想，对叶轮式流体机械设计理论的发展 具有重要的理论意义，新的叶片翼型型线设计理论对提高风力机叶片翼型设计水 平与设计能力，提高我国风力机装备制造业自主研发能力具有非常重大的意义。 同时提出的叶片翼型型线理论研究方法和叶片翼型的多学科优化设计对风力机专 用叶片翼型设计理论的深入发展也具有重要的推动作用。 具体研究意义体现如下： 本文通过探讨风力机翼型型线的构成形式，建立通用翼型型线集成设计理 论并提出其形状优化方法，增加设计柔性，创造出新型高性能的翼型型线，为工 业应用提供相应的理论基础。 本文的研究在设计理论和方法上具有创新性，探讨了风力机叶片的多学科 耦合优化设计方法。研究成果对风力机叶片国产化设计和制造的深入发展具有重 要的推动作用。 5 重庆大学博+ 学位论文 1 4 国内外研究现状分析 1 4 1 风力机翼型设计的理论研究 风力机叶片翼型设计理论是决定风力机功率特性和载荷特性的根本因素，一 直是各国学者研究的热点所在。目前叶片翼型的研究和设计都是基于特定的几何 轮廓f h l 面，来研究其空气动力学特性，并进行参数的设计和优化。风力机专门翼 型是在航空翼型的基础上发展起来的，已经研究出的航空叶片翼型有美国航天航 空局的n a c a 2 3 0 系列、n a c a 4 4 系列、n a c a 6 3 2 系列、n a c al s 系列和美国 贝尔公司的f x 系列等；专门的风力机翼型有美国可再生能源实验室的n r e ls 系 列、瑞典f f a w 系列和荷兰d u 系列等。美国可再生能源国家实验室研究员t a n g l e r 和s o m e r s 2 0 在风力机翼型研究方面作出了很大贡献，提出了叶片翼型的反设计方 法。反设计方法就是首先给定希望达到的气动特性( 一般为压力分布，称之为目 标压力分布) 以及初始的基本翼型，通过几何和流动控制方程，逐步逼近给定的 气动特性。德国学者m a n g l e r 和英国学者l i g h t h i l l 最先提出的复杂变换方法是针对 不可压缩流体的完全反设计方法。后来美国麻省理工学院的l i e b e c k 教授发展出了 包含边界层公式的完全反设计方法。在这些方法的基础上，美国可再生能源国家 实验室研究员e p p l e r 和s o m e r s 编写了一个计算机程序，他们的程序被用来发展出 了很多风力机的翼型系列。后来美国伊利诺斯州州立大学的s e l i g 和m a u g h m e r 拉3 。2 5 j 发展了一种可以进行多点设计的反设计方法，可以根据不同的流体约束确定不同 的翼型段。但是反设计方法不能处理多学科设计问题，而且只能进行有限的非设 计工况设计。目前比较流行的方法是应用美国麻省理工学院d r e l a f 2 1 - 2 2 教授基于牛 顿法编写的x f o i l 程序，进行翼型的设计。美国新墨西哥州风能技术中心的p a u l s v e e r s l 2 6 】等对叶片的几何外形设计进行了研究，指出随着风力机输出功率的增 加，叶片越来越长，提高叶片的刚度就显得尤为必要。为此，提出了一种尺寸较 短，尾部较平滑的新的翼型，通过分析得出这种翼型具有更高的升力系数，并且 可以在相对较轻的重量和成本下达到较高的刚度性能。丹麦r i s o e 风能重点实验 室的p e t e rf u g l s a n g 2 7 - 2 8 采用x f o i l 软件和数学方法分别对r i s o 系列的三种 r i s o a 1 ，r i s o pa n d 砒鲴b 1 翼型进行了优化分析。对于主要应用于失速型风力机 的r i s o a 1 翼型，通过提高翼型厚度和弦长比，翼型的重量可以减轻4 ，减少叶 片的疲劳载荷，进而将风力机的年发电量提高了1 5 。r i s o p 翼型主要应用于变 桨距风力机，其优化主要从叶片的前端边缘入手。他还对各翼型的性能进行了实 验，验证了理论优化计算的有效性。在国内，中国空气动力研究与发展中心的贺 德馨f 3 0 】在翼型上表面的恢复区内采用修改后的s t r a t f o r d 理想压力分布，应用 w e b e r 已知压力分布求解翼型外形的理论设计出一套在低雷诺数时的新翼型，并 对雷诺数为r e = 5 6 x 1 0 5 的情况进行了实验研究。汕头大学的叶枝全教授1 3 l j 针对 6 1绪论 f f a w 3 2 1 1 翼型进行了压力面尾缘局部增加粗糙度的风洞实验研究，得到了粗糙 带粗糙度和宽度在增加升力中的初步规律性的结果。 综上所述，目前国内外对风力机叶片翼型设计理论的研究，其出发点都是对 于给定的数学模型，在研究其空气动力学性能、结构特性和功率特性等单一学科 要求的基础上进行改进、修型和参数优化，以获得性能良好的叶片翼型。但由于 受翼型型线数学模型固有特性的限制，不能对表征翼型型线本质特征的根本因素 一翼型型线的形函数本身进行优选。 1 4 2 风力机叶片优化设计方法研究 随着风力发电技术的日益成熟和广泛应用，大功率兆瓦级风力机已成为企业 的主流产品，其空气动力学和结构特性优化设计也成为了国内外很多学者的研究 重点。对于叶片的形状优化设计研究，国内外也有很多学者从不同方面进行了研 究。1 9 9 9 年，丹麦r o s k i l d e 风能重点实验室的p e t e rf u g l s a n g 教授【3 2 j 以风力机单 位发电量的成本为目标，考虑叶片的疲劳强度、极端载荷以及年发电量，对某 1 5 m w 失速型风力机叶轮进行了优化分析。优化模型的使用，使得风力机单位发 电量的成本降低了3 5 。2 0 0 1