基于翼型库的风力机叶片气动外形与结构一体化设计理论研究

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1、基于翼型库的风力机叶片气动外形与结构一体化设计理论研究重庆大学博士学位论文学生姓名：李松林指导教师：陈进教授专业：机械设计及理论学科门类：工学重庆大学机械工程学院二O一五年九月StudyonIntegratedAerodynamicShapeandStructureDesignTheoryforWindTurbineBladeBasedonAirfoilLibraryAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequi

2、rementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByLiSonglinSupervisedbyProf.ChenJinSpecialty:MechanicalDesignandTheoryMechanicalEngineeringCollegeofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaSeptember,2015中文摘要摘要随着化石燃料储量的减少，人们对于能源危机的恐慌越发严重，风能作为一种清洁的可再生能源，也随之受到世界各国的关注与重视

3、。风轮叶片作为风力发电机中最核心的部件，不光其成本占到整机价值的20%左右，其性能的好坏也直接影响风力发电机对风能的转化效率。如何准确分析风轮叶片的性能并设计出新型高效的风轮叶片，具有非常重要的理论意义和工业应用价值。在国家自然科学基金项目“基于参数化的风力机叶片气动性能与结构一体化设计理论”（项目编号：51175526）和国家高技术研究发展计划（863计划）“先进风力机翼型族设计技术研究”（项目编号：2012AA051301）的资助下，本人提出了“基于翼型库的风力机叶片气动外形与结构一体化设计理论

4、研究”的研究课题。在分析国内外风力机翼型设计方法的基础上，提出了将翼型集成理论与样条曲线结合的翼型表达方法，并在翼型的设计中考虑翼型型线对翼型气动和结构性能的影响，设计出气动性能优越，结构性能优良的翼型；深入研究气动弹性对叶片捕风性能的影响，并通过试验进行了验证；在此基础上，充分考虑叶片设计过程中，翼型、叶片气动外形和叶片结构之间的相互关系，提出了基于翼型库的风力机叶片气动外形与结构的一体化设计方法。论文完成的主要研究工作和取得的研究成果主要有：①在风力机翼型的研究过程中，提出了将西奥道生理论与B样

5、条曲线结合的翼型型线表达方法，引入了翼型结构参数的概念，在此基础上，提出了风力机专用翼型气动结构一体化设计方法。新方法以风力机翼型气动性能和结构性能同时最优为目标，运用改进的遗传算法对翼型型线进行优化设计，优化得到不同相对厚度且气动结构综合性能优良的CQU-L型风力机专用翼型族群，形成原始翼型库；②以风力机空气动力学为基础，引入叶片受到气动载荷时产生的扭转变形量，建立了考虑气动弹性的风力机空气动力学模型，提出了将叶片受到的气动载荷解耦成压力函数，加载到叶片有限元模型上求解变形的流固耦合分析新方法。运

6、用该方法，在多种风速工况下对风力机叶片进行了性能分析计算。结果表明：对于大功率的风力机，风轮受到的载荷随风速的增加而变大，相应地，叶片弹性变形也随之变大，叶片的气动外形发生明显的改变，从而影响风轮的实际性能。气动弹性对最大功率利用系数影响不大，但对处于大风速大载荷条件下的风轮性能产生明显的负面影响，降低了风轮对风能的吸收。③根据现有叶片气动外形设计方法，设计出1kW风力机叶片外形，采用FRP成型技术完成1kW复合材料风力机叶片的加工制造，并完成风轮的组装；根据I重庆大学博士学位论文GB/T18451

7、.2-2012标准，搭建试验测试平台，利用汽车载体，对1kW风力机进行车载捕风性能测试，并将测试结果进行分析整理，与理论分析结果进行对比，从而验证“考虑气动弹性的风力机叶片分析方法”的正确性。④在复合材料风力机叶片强度失效分析理论的基础上，结合风力机叶片流固耦合分析方法，以额定风速下风力机功率最优为目标，以叶片弦长、扭角为设计变量，建立了考虑气动弹性的风力机叶片设计及优化数学模型，运用遗传算法对某850kW风力机叶片进行优化设计，优化结果表明，相比参考叶片，优化后的叶片在叶片质量减小的前提下，风力机

8、的输出功率得到提高，最高达23kW。该方法为设计出高性能轻质量低成本的风力机提供了理论依据。⑤基于翼型、叶片弦长及扭角和叶片结构铺层的参数化表达，建立了完整的复合材料风力机叶片参数化有限元模型，通过对比有限元模型和某公司同等级别叶片的质量和动态特性，证实参数化建模能较准确地模拟真实叶片实际构造。基于此，以气动弹性影响下叶片输出功率最大和叶片质量最小为双目标，考虑在叶片设计时翼型形状、叶片弦长扭角及叶片结构铺层之间的相互影响，对某3MW风力机叶片进行翼型、叶片气动外形与