风力机叶片集成参数化设计理论与聚能风力机气动性能分析研究

摘要

随着能源和环境问题的日益严峻，新能源的研究越来越受到各国的关注和重视。风能是无污染的可再生能源，也是地球上最古老的能源之一，具有蕴藏量大，分布广的优点。降低风力发电成本对现代风力机提出高性能的要求，针对这一问题，本文以风力机专用翼型参数化设计为基础，提出了一种风力机翼型、叶片以及聚能装置协同设计的方法，并系统研究了风力机的参数化表达、设计与分析理论。
　　为实现风力机叶片的三维参数化设计与建模，建立了包含风力机翼型轮廓线以及弦长分布和扭角分布的混合参数化数学模型。综合翼型集成参数化理论与Bezier曲线拟合的混合建模方法，以拟合标准差最小为目标，对风力机翼型形状函参数的最优值进行了迭代求解，同时对弦长分布和扭角分布进行了修正和参数化表达，从而获得了更加光顺的风力机叶片外形。以某小型风力机叶片为例，通过用58个控制参数进行参数化建模，对应参数化表达的拟合风力机叶片在功率、载荷和噪声等变化曲线与原风力机吻合一致，符合收敛的精度的要求，为风力机叶片三维协同参数化设计提供了理论基础。
　　为了得到拥有优良气动特性且低噪声水平的风力机专用翼型的轮廓线，提出了翼型多工况点多目标综合优化设计方法。基于叶片不同部位对翼型的特殊要求，建立了各自优化命题和求解方法，为低风速风场工况下的小型风力机叶片设计了一套具有高气动性能、低噪声水平的风力机专用翼型族。
　　提高风力机功率系数是降低风力机发电成本的关键技术，为此提出了一种聚能风力机构型设计及其运行特性的优化设计方法。基于扩散器计算流体力学模型和叶素动量理论，推导了传统风力机与聚能风力机统一的气动性能计算模型。通过翼型、扩散器装置、叶片数和桨距角的协同优化配置得到了一种小型高效的聚能风力机叶片。与同等尺寸的传统风力机叶片对比，优化得到的聚能风力机的启动风速得到了有效降低，且年发电量为原风力机的1.96倍。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 背景

1．2 研究现状

1．2．1 翼型参数化设计理论研究

1．2．2 风力机叶片参数化设计理论研究

1．2．3 聚能风力机风轮结构设计理论研究

1．3 课题的提出和研究目标

1．4 论文研究的内容

2 风力机翼型气动性能计算方法研究

2．1 引言

2．2 翼型研究基础理论

2．2．1 风力机翼型几何参数

2．2．2 翼型气动性能参数

2．2．3 翼型气动性能数值模拟计算

2．3 提高翼型气动性能计算精度的方法

2．3．1 影响湍流模型计算精度的模型参数

2．3．2 模型改进结果分析

2．3．3 流场对比分析

2．3．4 湍流输运特性分析

2．4 翼型噪声计算模型分析

2．4．1 噪声方向函数

2．4．2 BPM噪声模型

2．4．3 噪声计算对比分析

2．5 本章小结

3 风力机翼型集成参数化表达和收敛特性研究

3．1 引言

3．2 风力机翼型集成参数化表达方法

3．2．1 儒可夫斯基翼型变换

3．2．2 翼型形状函数方程

3．2．3 翼型集成表达方法拟合的问题

3．2．4 翼型形状函数参数α的修正

3．3 拟合阶数对收敛特性的影响

3．3．1 几何收敛特性分析

3．3．2 气动收敛特性分析

3．4 实例分析

3．4．1 冀型控制系数的获得

3．4．2 几何收敛特性

3．4．3 气动收敛特性

3．4．4 噪声收敛特性

3．5 本章小结

4 风力机叶片三维参数化表达与设计

4．1 引言

4．2 速度诱导因子的设计

4．2．1 基于叶片局部功率系数最大化

4．2．2 基于叶素功率系数最大化

4．2．3 翼型功率系数分析

4．3 Bezier曲线翼型拟合反求控制点推导

4．3．1 Bezier曲线

4．3．2 反求控制点

4．4 风力机叶片参数化表达

4．5 参数化表达方法的收敛特性

4．5．1 叶片的气动收敛特性

4．5．2 叶片的噪声收敛特性

4．6 本章小结

5 风力机翼型综合设计方法

5．1 引言

5．2 翼型气动特性的BP神经网络模型的建立

5．2．1 神经网络预测精度的分析

5．2．2 多输入参数的神经网络模型

5．3 翼型气动性能与噪声的综合优化设计研究

5．3．1 优化模型建立

5．3．2 改进的自适应遗传算法

5．3．3 优化结果与对比分析

5．4 小型风力机叶片设计

5．4．1 叶根翼型的改进

5．4．2 叶中翼型的改进

5．4．3 叶尖翼型的改进

5．4．4 叶片气动性能分析

5．5 本章小结

6 聚能风力机结构设计及其特性研究

6．1 引言

6．2 扩散器聚能原理研究

6．2．1 扩散器模型

6．2．2 扩散器的数值模拟

6．2．3 流场计算结果及分析

6．3 聚能风力机气动性能计算模型的推导

6．3．1 速度诱导因子

6．3．2 载荷、功率与功率系数

6．4．1 扩散器对输出功率的影响

6．4．2 叶片数对输出功率的影响

6．4．3 扭角对输出功率的影响

6．5 小型聚能风力机叶片结构设计

6．5．1 构型优化配置

6．5．2 优化结果与分析

6．5．3 基于优化翼型的聚能风力机叶片性能分析

6．6 本章小结

7 结论

参考文献

附录

作者简历

学位论文数据集