风力机专用翼型的优化设计及气动性能数值分析

发布时间：2020-09-28 09:18

　　随着近年来全球工业技术的不断发展,世界范围内的化石燃料能源日趋枯竭,于是国际组织对于碳排量提出了减排的要求。风能作为一种清洁可再生能源,已被大规模商业化应用。我国的装机容量正以连年翻番的趋势,向大功率、单机大型化方向发展,同时促进了兆瓦级大型风力机叶片气动设计分析工作的发展。风电机组的大型化对风力机叶片性能提出了更高的要求,然而我国的叶片设计及制造技术与国外相比都还存在一定差距,尤其是在气动、结构设计方面还相当欠缺。因此研究先进的风力机叶片设计技术对提高我国风电产业自主研发能力具有重要意义。本文针对3MW水平轴风力机设计了的专用翼型及叶片,并分析了其气动性能。利用profili软件计算分析了翼型的相对厚度、相对弯度和前缘半径对翼型气动性能的影响,并采用Fluent软件分析了影响产生的原因,分析结果表明改变翼型的几何参数可以改善翼型的气动性能。根据水平轴风力机叶片不同部位对翼型气动特性的要求,以翼型的相对厚度、相对弯度和前缘半径为设计变量,为使翼型的综合气动性能达到最优,基于Profili翼型设计软件和Matlab编程计算软件,采用复合形法设计了5个相对厚度从15%到40%的3MW风力机专用翼型。Profili软件的计算结果表明该组专用翼型的气动性能基本能满足大型风力机对翼型气动特性的需求。由于Profili软件只能给出翼型特性的结果,没有直观的流场,于是用流体分析软件Fluent模拟了翼型绕流流场,流场分析结果表明Profili软件设计出来的翼型是可信的。针对应用于GL3A风场的3MW水平轴风力机叶片,确定了叶片设计的基本参数。以Wilson气动设计理论为基础,基于Matlab软件计算了叶片的弦长和扭角并修正,从而获得风力机叶片的气动外形数据,并用三维造型软件Pro/e完成了叶片的实体造型。通过Viterna-Corrigan模型外推得到了新专用翼型在攻角±180°范围内的气动特性数据,并把其导入风力机计算分析软件GH-Bladed。利用GH-Bladed把设计的叶片与某款3MW风力发电机组进行匹配,并计算叶片的气动性能。计算结果显示该款叶片的气动性能能够满足3MW风力机的气动要求,其中与设计值之间的误差主要是由合理的修形和风电机组控制设置产生的。
【学位单位】：大连交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2014
【中图分类】：TK83
【部分图文】：

气体流,形状,圆形板,气流

升力、阻力、俯仰力矩、气动中心等。首先介绍翼型升力产生的原理。图2.2是空气流经3种不同形状体的气流状况。J1；中，a)为圆形板；b)为流线形物体。C)为风力机叶片的截面翼型。■ 一 --、?^^一、??、、..一——、二、、-二二’ ——— -Z ..." — 、?_----⑷ f I (b)Z 一- 一、.、 ?、、、、、-?-少广‘?F.、今：：二、V 二 ^(c)图2.2气体流经不同截面形状的情况Fig. 2.2 The cases of the flow around different kinds of section当风吹向图2.2a的圆形板时，它的前方压力突然增大，后方压力则减小，正是这个压力差使气流对圆形板产生作用力F丨。同样，气流在图2.2b流线形物体上产牛的作用力尸2，但要比对圆形板的作用力F/小得多。如图2.2c所示，当空气流过叶片叶素时，8

受力图,翼型,受力图,相对速度

然而在图2.2a和2.2b中，鉴于物体的对称截面形状，它们只产生了阻力，。樭直于相对速度的方向，阻力平行于相对速度的方向。翼型的几何形状以割2.3所示。图中翼型垂直截面的周向速度用表示，相对速度用W表示，弦线和^的夹角，来流速度用V表示。

关系曲线,升力系数,阻力系数,攻角

暠2.4是翼型的CV和C,对攻角的曲线图。升力系数那条线可以被划成曲线和直线个区域。升力系数最低点(：'/,,,,?在负攻角区域。阻力系数对攻角的的变化曲线形状类似抛物线，有唯- Cdnun。

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