大型风力机叶片设计与CFD分析

论文摘要

由于苛刻的能源环境要求,风电产业受到各国的高度重视,风力发电技术取得了巨大发展,风力机的单机容量也不断增大。目前,主流风力机的功率都从过去的百千瓦级发展到兆瓦级。随着风力机功率的不断增大,传统的以气动设计优先的设计方法,不能完全满足这种大功率风力机设计上的结构稳定性要求。为了克服传统设计方法的不足,本文运用一种新的设计思想,即先进行初步的结构设计,然后再进行气动设计。进行初步的结构设计时,为了获得气动力,将运用一些经验公式初步估计叶片的受力情况,并利用这些计算结果来设计叶片主梁,确定主梁各截面的厚度和宽度,在此基础上得到叶片内圈各截面翼型的最大厚度。为了确保根部连接方式满足设计要求,本文采用金属法兰连接,叶片根部与法兰之间胶接,法兰与轮毂之间采用螺栓连接。钝后缘翼型能够极大的提高大型风力机叶片内圈的气动和结构性能。本文利用现有的风力机专用翼型改进设计得到钝后缘翼型,然后用CFD方法及计算流体动力学软件FLUENT对钝后缘翼型气动性能进行数值模拟,根据CFD计算结果讨论钝后缘翼型提高气动性能的作用机理;同时研究了在钝后缘翼型上加装分流板对减小翼型阻力作用的影响。文中在完成了叶片的初步结构设计后,在进行叶片气动设计时,运用扩展的Glauert旋涡方法,将改进的钝后缘翼型应用到叶片的内圈并进行1.5MW水平轴变桨矩风力机叶片设计。最后应用FLUENT软件对新设计的风力机作气动性能预测,并与同类型的商用风力机进行对比,考察并检验新设计的风力机性能是否满足设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外风电发展状况
• 1.3 风力机叶片翼型的研究
• 1.4 本课题研究目的及内容
• 2 大型风力机叶片设计理论
• 2.1 风力机叶片设计方法总结
• 2.2 大型风力机结构设计和复合材料技术
• 2.3 风力机气动设计理论
• 2.4 本章小结
• 3 风力机叶片结构设计
• 3.1 叶轮叶片荷载计算
• 3.2 叶片强度和刚度计算
• 3.3 简化气动设计荷载
• 3.4 风力机叶片具体计算结果
• 3.5 叶片主梁的设计
• 3.6 风力机叶片根端连接设计
• 3.7 本章总结
• 4 钝后缘翼型数值模拟
• 4.1 大型叶片气动翼型的选择
• 4.2 数值计算方法
• 4.3 钝后缘翼型气动性能分析与讨论
• 4.4 尾缘后部加分流板对阻力系数的影响
• 4.5 本章小结
• 5 叶片气动设计及数值模拟
• 5.1 叶片几何参数的确定
• 5.2 叶片的几何建模
• 5.3 风力机外部流场数值模拟
• 5.4 计算结果分析与讨论
• 5.5 本章小结
• 6 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 未来工作的展望
• 致谢
• 参考文献