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水平轴风力发电机组风轮叶片优化设计研究

徐宝清  
【摘要】: 在国家自然科学基金资助项目《浓缩风能型风力发电机叶轮系列化的风洞实验与研究》[批准号:59776033]资助下,针对兆瓦级风力发电机组风轮叶片进行了优化设计研究。以正确描述风场风速为前提,提出以气动优化和综合优化为目标的风力发电机叶片优化设计方法。采用计算机高级程序设计语言Visual Basic6.0为主要开发工具编制程序实现上述优化设计方法。以内蒙古某地区为设计风场,设计了1.5MW叶片SJ1.5,与国外通用叶片NR1.5进行了外形比较和性能模拟计算,然后对这两种叶片设计制作了相似模型,采用数值模拟和车载试验对模型的功率输出特性进行对比和分析。主要创新性成果如下: (1)Weibull分布是风场风速分布的常用函数,通过它的两个参数可以比较准确的描述风速分布的规律。针对函数中两个参数的确定方法提出用梯度导向法和循环测试法进行求解。实例证明这两种方法都是可行的计算方法,但是梯度导向法在第m步的步长为2mr或21m r,使计算更加精确同时减少了计算次数。基于Weibull分布函数的风速数学期望,是无穷区间上的广义积分,采用Gauss-Laguerre积分公式求解,取n个节点时,代数精度能够达到2n-1次。 (2)建立了叶片综合优化设计和外形优化设计数学模型。在外形优化的约束条件中给出以展弦比为关键约束变量修正弦长、以强度为关键约束变量修正厚度等修形约束条件,从气动和修形两个方面的约束对外形优化目标函数进行求解,并对设计结果进行三次样条插值,使叶片外形更加光滑。以变桨距水平轴1.5MW风力发电机风轮叶片SJ1.5的优化设计为例,与国外同功率通用叶片NR1.5比较,两种叶片在弦长、扭角和相对厚度等外形参数的分布上基本吻合。叶片SJ1.5组成的风力发电机组的输出功率、功率系数和年发电量分别比叶片NR1.5高2.32%、3.13%和2.45%。 (3)对叶片SJ1.5和NR1.5的相似模型MSJ和MNR分别在10.5°、30.5°、50.5°三种轮毂安装角上进行了6组模型试验和性能输出模拟,对模拟结果和试验结果的对比分析表明,在有效的试验系统中进行的数值模拟结果和试验结果基本一致;从功率、功率系数、扭矩系数和年发电量这4种主要性能参数的试验结果来看,在安装角为10.5°上的性能比其它两种角度的性能更加优良;与模型叶片MNR相比,模型叶片MSJ的性能显示出一定的优越性。


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