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大型变桨距风力发电机叶片优化设计

毛华锋  
【摘要】:随着传统能源的日益耗尽及其带来的环境污染问题日益严重,寻找清洁能源的需求变得越来越迫切。风能作为一种可再生清洁能源,其开发利用已变得越来越广泛,过去数年我国风电产业快速发展。风轮叶片作为风力机上最重要的部件之一,随着风力机朝着大型化方向发展,其效率值的轻微提升都将带来巨大的经济效益和社会价值,因此寻找一种提高风力机叶片理论效率值的方法受到了人们的重视。 论文在分析了风力机叶片翼型设计、外型设计、材料、有限元仿真研究现状以及叶片效率、转矩、受力系数等计算方法的基础上,针对变桨距风力发电机特点提出了一种叶片设计方法,设计分为三个阶段。第一阶段是叶片基本参数的设定,包括设计功率、风轮直径、轮毂高度、风轮转速、叶尖速比、叶片数、实度、额定风速、切入风速和切出风速等,并根据风力机运行需要选定截面翼型;第二阶段是确定叶片效率迭代计算方法,进行叶片截面弦长和扭角初步设计,采用Wilson法得到在最佳尖速比下的叶片初值;第三阶段是在Wilson法设计结果的基础上,采用遗传算法,计算个体适应度的时候考虑叶片安装桨距角与扭角之间的耦合关系,得到优化后的叶片参数。并对叶片进行坐标转换后三维建模,通过流固耦合仿真,得到叶片表面压力分布等,对以玻璃钢为材料的叶片进行强度校核。 论文以日趋成熟普遍的变桨距风力发电机为研究对象,以我国东南沿海风力情况为设计环境,以叶片扭角和弦长为设计变量,将叶片欠功率状态下年平均输出效率设定为目标值,采用基于叶素-动量理论开发的Matlab计算程序为工具,使用遗传算法,对叶片进行多参数优化设计。设计过程中克服了变桨距风力机安装桨距角与扭角之间耦合关系给优化带来的困难;优化得到的叶片,其效率值与传统的Wilson设计方法设计得到的叶片以及普通的不考虑桨距角变化的遗传算法优化得到的叶片相比均有明显的提高。


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