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随着风力机空气动力学、材料、发电机技术的发展,风力发电装机容量迅速增加,风力发电成本呈降低趋势,风电成为发展最快的发电方式之一,受到世界各国的广泛重视。目前国内外对翼型叶片的设计研究都是基于传统的串行分开设计方法,不能更大限度的提高风轮的风能利用效率,因此有必要对风力机翼型及叶片协同设计理论和方法展开原创性研究,设计出既符合风力机运行工况又适应环境要求的专用翼型和叶片,形成风力机叶片翼型设计的新理论和新方法,促进风电产业又好又快发展。
在国家自然科学基金项目(编号:50775227)和重庆市自然科学基金重点项目(编号:CSTC,2008BC3029)资助下,本文提出了“风力机翼型与叶片协同设计理论研究”的研究课题。论文研究从能量输出的角度入手,建立了风力机翼型与叶片的协同设计模型,将翼型和叶片设计统一起来,基于风力机翼型型线设计理论和翼型、叶片噪声预测理论,分别以翼型二维风能系数最大和叶片能量输出成本最低为目标,设计出具有高性能低噪声的新型风力机翼型和叶片,形成了完整的翼型及叶片设计理论和方法,并对所设计的翼型通过风洞试验进行了验证。论文完成的主要研究工作和取得的研究成果主要有:
1)探讨了翼型的几何参数对气动性能的影响关系,分析了目前翼型设计中几种常见方法的优缺点,针对风力机专用翼型设计理论,从翼型气动外形出发,推导了翼型型线通用表达函数,为翼型和叶片的优化研究奠定了基础;对翼型气动性能的预测方法进行了探讨,选取FFA系列翼型,比较了XFOIL、CFD方法的预测数据与风洞实验结果,为翼型优化过程中气动性能预测提供了有效的手段。
2)针对翼型自身噪声,基于BPM模型,建立并改进了翼型噪声计算模型,针对S809与FFA-W3-241翼型,将本模型计算结果与美国可再生能源实验室开发的翼型噪声预测软件NAFNoise的计算结果进行了对比分析,验证了噪声计算模型的正确性;针对NACA系列翼型,研究了翼型主要几何参数变化对翼型噪声性能影响,基于噪声计算模型,提出了以翼型效噪比为优化目标的翼型设计模型,为设计低噪声高性能的翼型奠定了基础。
3)以动量叶素理论为基础,从能量的角度入手,推导了二维翼型的风能利用系数,通过分析翼型在各段升阻比范围内升阻比对风能利用系数增加的影响,基于翼型型线理论和翼型噪声计算模型,针对风力机展向各处对翼型设计的不同要求,综合考虑翼型的前缘粗糙度敏感性、非设计工况特性、失速特性、噪声特性以及风力机的使用寿命,建立了以多攻角范围内翼型综合风能利用系数为设计目标的翼型优化模型,设计得到了CQU-DTU-B翼型族,该方法突破了基于单一学科的传统翼型、叶片串行设计方法,形成了适应于实际叶片展向分布特性的叶片翼型协同设计数学模型,为叶片气动外形的设计研究奠定了基础。
4)鉴于工程实际的需要,在CQU-DTU-B翼型的设计过程中,提出了通过旋转翼型下翼面设计翼型尾缘的新方法,选取CQU-DTU-B21翼型,对尾缘厚度不同时翼型的气动性能进行了研究,为翼型的尾缘处理方法提供了依据;基于翼型型线理论,对翼型的表面曲率光滑与连续性进行了研究,探讨了曲率变化对翼型气动性能,特别是翼型表面压力分布的影响规律,继而对FX66-S196-V1翼型进行了改进设计,为风力机翼型设计与改进提供了新的方法和手段。
5)对CQU-DTU-T21翼型进行了风洞试验,得到了翼型在自由转捩工况和固定转捩工况下的气动性能,并将实验结果与丹麦DTU和RIS(O)实验室风力机翼型专用CFD软件EllipSys2D和XFOIL计算结果进行了比较,验证了本文所提出的翼型设计理论和方法的正确性和有效性;此外,与DU93-W-210翼型的测试结果进行了对比分析,结果显示在两种运行工况下,CQU-DTU-T21翼型几乎在整个攻角范围内都具有更大的升力系数和更高的升阻比,奠定了新翼型的工业应用基础。
6)基于动量理论和叶素理论,结合Shen叶尖修正模型,建立了风力机叶片气动性能计算模型;分析了叶片设计时采用的葛劳渥(Glauert)模型和Wilson模型的优缺点,通过对叶片气动性能计算模型的研究,从能量输出最大的角度入手,考虑干涉因子和翼型阻力,把风轮实度同功率的优化结合起来,建立了叶片与翼型的协同设计的数学模型,从而将叶片设计和翼型优化统一起来。通过对某5MW叶片的重新设计和性能比较分析,验证了该方法的优越性。
7)对目前的风力机风轮优化模型进行了比较分析,采用了基于能量成本的风力机优化设计模型,基于翼型噪声预测模型,建立了风力机的噪声计算模型,选择CQU-DTU-B系列翼型,以风能能量成本为优化目标,考虑叶片的载荷特性和噪声特性对新设计的叶片进行了优化,优化结果表明叶片的能量输出成本降低了1.7％,噪声减少了1.6分贝,同时叶片的载荷和变形也有一定的降低,达到设优化目标。为设计高性能、低成本、低噪音的风力机叶片奠定了良好的基础。