风力发电机组风轮叶片气动外形优化设计及风轮气动性能计算研究

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1、OlegY风力发电机组风轮叶片气动外形优化设计及风轮气动性能计算研究郭天威方景龙（中国直升机设计研究所风能中心，景德镇，333001）擅要本文对水平轴风力发电机组风鞋叶片气动外形优化设计及风轮气动性能进行了研究.开发了风力发电机组叶片气动外形优化设计软件WTBSDI{WiTurbineBladeShend可对水平轴风力发电机组叶片进行气动外形优化设计和风轮气动性能进行计算.风力发电机组叶片气动外形优化设计戟件的设计变量是弦长舟布，相对厚度分布、扭转角分布，目标函数是风力发电机蛆年平均发电功率，约束条件包括性能约束和结构约束。丰软件所

2、用的性能计算方法是推广的叶素一一动量理论，所用的数学优化方法是复音型方法4b-g、八■>1刖目风能是一种洁净能源.具有强大的生命力，越来越引起人们的广泛重视。为了能使J力发电水平在我国有较快的发展，必须要拥有自主知识产权的风力发电机组研制技术。能的好坏取决于风轮叶片的气动外形@计^而pi升初蔣穿珠避挺宇直升机旋翼气动外形设计，在这方面两者是极为相似的。为此，我们可对水平机旋翼研制技术的基础上，开发了风力发电机组叶片气动外形优化设计软件WT(WindTurbineBladeShapeDeSign)叶片进行气动外形优化设计和风轮气动性能

3、进行计算。经过风力发电机组型号研制的考核验证。与初始设计值相比，3为在进行某型号风力)通过叶片气动外形优化设计功率可提高3%〜5%。图1组研制时气动外形优化设计结果，图4、图5为风轮气动性能计算结果2数学模型2.1设计变量设计变量是沿风力机叶片展向分布的各弦长c1.相对厚度分布t1，安装角分布nx个(nx=3*kk，kk为控制剖面个数)。2.2目标函数目标函数f(x)是风力发电机组年平均发电功率：m)=f:fw(v)•Px(V)dVonETTer它Yey土土匀EL(一)+B(1)+△嵋+EL(_)+只(其中：hel从Vmin到Ver

4、之间的分段数：he2从Vet到Vmax之间的分段数；△VI=(Ver—Vmin)/hel‘△Vz=(Vmax—Ver)/ne2Vi=Vmin‘‘'Ai_l.…，nel‘V1V:—et~

5、~iinel~I~1，•.•tme1~I~iie22P】【(V,)风力机输出电功率；fw(Vi)威布尔分布密度函数；3约束条件约束条件包括结构约束和性能约束。在结构方面我们取一个约束，即在分离面处，'厚度要大于某一给定值。在性能方面我们要求：(1)在额定风速时达到额定功率；(2)在所有情况下，风力发电机组输出电功率都小于最太功率。上面这些约束用数学表

6、达式表示如下：ci

7、2D.BCC，，5数学模型表达式maxf(xxe[a，61EnI山urAunV-日王士fi口nnANV>7rJ7JM>■"^AnlvAv甘ri、窗i及翼剖

8、面来流速度在旋转面内的分量翼剖面来流速度在挥舞面内的分量洗流角；叶尖损失系数；迎角；安装角;Y方向气动力系数;x方向气动力系数;Mb诱导速度系数；由翼型升力系数和阻力系数。为了延伸计:在小风速风轮处于涡环状态时，由于没有滑流存在，动量理论己失效。0m1.105J涡环状态，本软件中采用经验方法来计算此时的诱导速度：当用上式计算得出的a〉都时，取▲ys596nu1nII口TJS52nu384a0为给定的一个值。复合形优化方法1初始复台形的产生1)给定一组设计变量初值X“’作为第一个顶点：2)若x“’满足约束条件则转步2，否则令X1’’’

9、=ai+rl+(bl-ai)i=l，2，...n直到X“’满足约束条件。这里r1为【0，1】区间内服从均匀分布的伪随机数；3)第二到第m个顶点(n+l$m$2〜)的产生如下：xi‘3’=ai+B+(b{.ai)i=l，2，…，n，j=2，...•in若已有q(1

10、x最坏点：X‘们、fI次坏点：X6鼬、fgf（X栅1）-f（X‘妒）21用加权法计算除最坏点处的其余m_l个顶点的形心x{>J=1J关P-25i1，2,...，n求X【耐关于X嘞的反射点OX=VVX-JisEJor/其中O=为映射系数