水平轴风力机专用翼型族试验分析及优化设计

论文摘要

有别于传统的航空翼型,风力机翼型在设计点、非设计点的性能及结构上有特殊的要求。随着风电行业的发展,传统的航空翼型已不能满足要求,因此设计风力机专用翼型族非常必要。欧美一些发达国家已经进行了风力机先进翼型的研究,但我国还尚未开发出成熟的翼型族系列。本文根据国家863项目“水平轴风力机先进翼型族设计与实验研究”内容,对CAS-W1-XXX薄翼型族风洞试验结果进行分析,并与国外同等厚度翼型性能进行对比。实验结果表明,与国外同等厚度翼型相比CAS-W1-XXX薄翼型具有良好的粗糙度不敏感性,高的最大升力系数,并且具有良好的失速特性。此外还在原有设计的基础上,进一步对CAS-W1-XXX薄翼型进行了优化设计,使该翼型族最大升阻比得到提高。为适应风力机大型化发展,根据水平轴风力机叶片对翼型的气动和结构特性要求,本文采用正问题设计计算方法,开发CAS-W1-XXX厚翼型族—相对厚度范围为30%-60%七个不同厚度的翼型。在厚翼型设计中,主要采用限制上表面厚度S型后加载和增加翼型尾缘厚度的方式来降低翼型对前缘粗糙的敏感性,同时采用钝尾缘翼型改善翼型的气动特性,提高结构刚度。设计中翼型尾缘相对厚度范围为0.05%到3%弦长。通过CFD模拟发现,具有后加载造型、相对厚度大于40%的翼型压力面出现明显分离,造成翼型小攻角失速、升力系数下降。对此现象,在原有设计基础上采用加大尾缘厚度、减小压力面厚度的方式进行改善,翼型中最大尾缘厚度达11%弦长。通过设计改善,翼型的气动特性明显改善。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图目录
• 表目录
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.1.1 我国风力资源及风力发电前景
• 1.1.2 风力机大型化发展
• 1.2 风力机翼型与航空翼型的区别
• 1.3 国内外风力机专用翼型族研究现状
• 1.4 本课题意义
• 1.5 本文内容
• 第二章 风力机翼型基本理论与试验方法
• 2.1 翼型的几何参数
• 2.2 翼型空气动力特性
• 2.2.1 翼型的空气动力特性
• 2.2.2 影响翼型空气动力特性的因素
• 2.3 翼型常规风洞试验技术
• 2.3.1 低速风洞试验中空气动力特性的测量方法
• 2.3.2 模型尺寸的确定
• 2.3.3 翼型试验的数据处理方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 风力机翼型的设计方法与性能预测方法
• 3.1 翼型设计方法
• 3.2 翼型性能预测方法
• 3.2.1 基于粘性—无粘迭代的涡面元方法的软件XFOIL
• 3.2.2 基于N-S方程的CFD数值模拟方法
• 3.2.3 风洞试验
• 3.2.4 预测翼型三维旋转效应的方法
• 3.3 XFOIL与CFD数值模拟方法对翼型性能的预测
• 3.4 本章小结
• 第四章 CAS-W1-XXX薄翼型族设计回顾与试验结果分析
• 4.1 CAS-W1-XXX薄翼型族设计
• 4.1.1 设计方法与设计策略
• 4.1.2 设计结果
• 4.2 试验方法与设备
• 4.2.1 试验方法
• 4.2.2 试验设备
• 4.3 试验精度
• 4.4 试验结果
• 4.4.1 CAS-W1-150翼型试验结果
• 4.4.2 CAS-W1-180试验结果
• 4.4.3 CAS-W1-210试验结果
• 4.4.4 CAS-W1-250试验结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 风力机专用翼型族CAS-W1-XXX薄翼型优化与厚翼型设计
• 5.1 设计目标及策略
• 5.1.1 设计目标
• 5.1.2 设计策略
• 5.2 设计结果
• 5.2.1 CAS-W1-XXX薄翼型优化结果
• 5.2.2 CAS-W1-XXX厚翼型设计结果
• 5.2.3 翼型气动特性分析
• 5.2.4 相对厚度45%以上翼型的流动分析与优化结果
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文、申请的专利及获奖情况
• 致谢