风力机叶片气动外形设计及性能分析

发布时间：2020-06-08 01:38

【摘要】：风能作为一种绿色可再生能源,其开发利用已受到世界各国的普遍关注,其中水平轴风力机是风能利用的最主要形式。在风力机设计中,关键部件叶片的气动外形对风力机获取风能的能力具有决定作用,因此研究风力机叶片设计的相关技术对更高效利用风能、节约资源具有重要意义。论文以1.5MW水平轴风力机为研究对象,以叶素-动量理论为基础,建立了叶片气动外形计算模型,并利用MATLAB程序进行了叶片的气动外形设计,得到了叶片外形参数;为了获得叶片任意位置处的几何参数,自行编制程序实现了叶片外形参数的自动多项式拟合修正和直线修正,程序还可以对设计获得的叶片进行气动性能计算;通过对比两种修正方法得到叶片气动性能的计算结果表明,多项式拟合修正更有利于高性能叶片的获取。为了减少计算时间,论文利用统一格式叶片几何数据文件的储存与调取实现了气动外形设计程序和性能计算程序的联合。针对同一设计结果,通过改变气动性能计算时所取叶素数目,进行了叶素数目对叶片气动性能计算结果影响的研究。结果表明,使性能计算精度达到要求的最佳叶素数目为35。由于均匀选取叶素位置不利于提升设计获得叶片的气动性能,论文提出采用非均匀选取叶素位置进行叶片气动外形设计的方法。通过实例计算表明,尖速比越大利用该方法设计得到叶片的功率系数提升越明显。这一结论对进一步提高叶片气动性能具有工程意义。借助三维建模软件,论文建立了叶片的三维实体模型,并将叶片模型导入到商用计算流体力学软件CFX中后,进行了风力机叶片设计工况下流场的数值模拟。通过对功率系数、推力系数和转矩系数等计算结果的分析表明,数值模拟与MATLAB程序计算结果之间误差不超过10%,误差的产生主要由于理论计算未考虑叶片的旋转效应及对叶根部分的近似处理等,但在工程可接受范围内。以上研究说明MATLAB理论计算和CFD数值模拟这两种获取叶片气动性能参数的方法在进行叶片气动外形设计时均是可行的,且对叶片气动外形的优化具有理论研究价值和实际工程应用价值。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK83

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本文编号：2702323