基于Wilson模型的风轮叶片优化方法研究

发布时间：2017-07-18 01:00

  本文关键词：基于Wilson模型的风轮叶片优化方法研究

  更多相关文章： 气动性能 叶素理论 Wilson模型 优化设计

【摘要】：风力发电机组能否正常、稳定、高效运行的关键在于风轮叶片的设计优劣、可靠性高低和性能好坏。叶片的设计包括气动设计和结构设计两部分,其中,叶片气动设计直接影响其对风能的利用率,进而影响风力机的发电效率。因此,分析风力机叶片气动性能并对其进行气动优化具有重要的现实意义。本文总结了国内外风力发电机的发展现状、垂直轴风轮的特性和优势、小型风力发电机的未来发展趋势、风力发电机的工作原理、结构和类型等,对比总结了风叶优化、重叠比优化、组合优化、辅助机构优化等风轮叶片的优化方法,在此基础上提出了基于Wilson模型的修正弦长和扭角的风轮叶片设计优化方法,梳理了本文的研究内容和整体思路。本文首先采用了Weibull分布模型并考虑风切变影响,建立了用于风力发电机设计的风速概率密度分布模型,基于叶素理论给定了功率、风速、风能利用系数、机电效率等参数,对1.5MW失速型风力发电机进行结构设计,得到了叶片长度、轮毂直径、叶片数、叶尖速比等,选择了7种NACA系列的翼型作为各截面翼型。本文其次利用Profili软件对风轮叶片NACA24XX系列和NACA44XX系列7种二维翼型进行了气动性能分析,获取了翼型的升力系数、阻力系数、升阻比和力矩系数与攻角α的变化关系,在此之上得到了NACA44XX系列和NACA24XX系列的翼型气动数据,为风轮叶片的气动性能分析提供了基础数据。本文最后以最大功率系数为优化目标,以弦长和扭角为设计变量,以叶尖与轮毂损失F作为补充条件,同时考虑风速的分布,采用基于Wilson法数学模型并利用MATLAB工具进行优化设计和修正,得到叶片最佳弦长和扭角的分布情况,并将修正前后的弦长和扭角随着叶片展向进行对比,结果显示优化后的风机叶片气动性能改善,更符合实际制造情况。
【关键词】：气动性能 叶素理论 Wilson模型 优化设计
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM315
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-26
• 1.1 研究工作的科学意义11-15
• 1.2 风力发电机简介15-17
• 1.2.1 风力发电机原理15-16
• 1.2.2 风力发电机结构16-17
• 1.2.3 风力发电机类型17
• 1.3 S型风轮优化方法综述17-23
• 1.3.1 Savonius风轮的优化及应用18-20
• 1.3.2 组合型Savonius风轮的研究20-22
• 1.3.3 辅助机构22-23
• 1.4 Savonius风轮应用情况23-24
• 1.5 本文的主要研究内容24-25
• 1.6 本章小结25-26
• 第二章 风轮的设计理论26-39
• 2.1 贝茨理论26-29
• 2.2 经典设计理论29-38
• 2.2.1 涡流理论29-30
• 2.2.2 动量理论30-32
• 2.2.3 叶素理论32-35
• 2.2.4 叶素-动量理论35-36
• 2.2.5 叶片梢部损失和根部损失修正36-37
• 2.2.6 塔影效果37
• 2.2.7 偏斜气流修正37-38
• 2.2.8 风剪切38
• 2.3 本章小结38-39
• 第三章 叶片结构设计参数的获取39-53
• 3.1 叶片的结构设计参数39-43
• 3.1.1 弦长和厚度39-40
• 3.1.2 升力和阻力40-41
• 3.1.3 面压力41-42
• 3.1.4 扭矩、角动量和尾翼所受的力42-43
• 3.2 叶片的动力特性43-47
• 3.2.1 功率43-44
• 3.2.2 尖速比44-45
• 3.2.3 系统效率45-46
• 3.2.4 叶片面积46-47
• 3.3 基于叶素理论的叶片初步设计47-52
• 3.3.1 设计条件及风力机输出功率48
• 3.3.2 确定风轮直径D、叶片数B、叶尖速比入和风轮转速n48
• 3.3.3 翼型的选择48-52
• 3.4 本章小结52-53
• 第四章 风轮翼型气动系数的获取53-71
• 4.1 风况参数提取53-59
• 4.1.0 风的能量计算53-55
• 4.1.1 风速的数学描述55-57
• 4.1.2 韦伯分布与风速的数学模型57-59
• 4.2 叶片的空气动力学特性59-64
• 4.2.1 空气动力学基本理论59-61
• 4.2.2 叶片角度61-62
• 4.2.3 断面形状和平面形状62-64
• 4.3 翼型气动系数的获取64-70
• 4.3.1 翼型气动系数随攻角变化关系的获取64-69
• 4.3.2 不同翼型气动系数间的关系分析69-70
• 4.4 本章小结70-71
• 第五章 风轮叶片的优化设计71-78
• 5.1 利用MATLAB的叶片设计71-75
• 5.1.1 Wilson法数学模型71
• 5.1.2 a和b的获取71-72
• 5.1.3 优化设计步骤的确定72-73
• 5.1.4 计算结果及分析73-75
• 5.2 扭角和弦长的修正75-77
• 5.2.1 扭角的修正75-76
• 5.2.2 弦长的修正76-77
• 5.3 本章小结77-78
• 第六章 总结与展望78-80
• 6.1 主要结论78
• 6.2 本文创新点78-79
• 6.3 对本文工作的展望79-80
• 参考文献80-83

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 杨慧杰;杨文通;;小型垂直轴风力发电机在国外的新发展[J];电力需求侧管理;2007年02期

2 李岩;原孞;林彶;;叶片重叠比对Savonius风力机性能的影响[J];可再生能源;2008年03期

3 张宏杰;朱乐东;;附加风攻角对1400m斜拉桥颤振分析结果的影响[J];振动与冲击;2013年17期

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 吴正泳;低风速条件风力发电机组的初步研究[D];华北电力大学（北京）;2008年

2 方程;基于涡流理论的立轴风力机气动特性分析[D];华北电力大学;2012年

，

本文编号：555332