基于Wilson模型的风轮叶片优化方法研究

作     者：代旻 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡树根;宋小文;黄长林;王耘

授予年度：2015年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：气动性能 叶素理论 Wilson模型 优化设计 

摘      要：风力发电机组能否正常、稳定、高效运行的关键在于风轮叶片的设计优劣、可靠性高低和性能好坏。叶片的设计包括气动设计和结构设计两部分,其中,叶片气动设计直接影响其对风能的利用率,进而影响风力机的发电效率。因此,分析风力机叶片气动性能并对其进行气动优化具有重要的现实意义。本文总结了国内外风力发电机的发展现状、垂直轴风轮的特性和优势、小型风力发电机的未来发展趋势、风力发电机的工作原理、结构和类型等,对比总结了风叶优化、重叠比优化、组合优化、辅助机构优化等风轮叶片的优化方法,在此基础上提出了基于Wilson模型的修正弦长和扭角的风轮叶片设计优化方法,梳理了本文的研究内容和整体思路。本文首先采用了Weibull分布模型并考虑风切变影响,建立了用于风力发电机设计的风速概率密度分布模型,基于叶素理论给定了功率、风速、风能利用系数、机电效率等参数,对1.5MW失速型风力发电机进行结构设计,得到了叶片长度、轮毂直径、叶片数、叶尖速比等,选择了7种NACA系列的翼型作为各截面翼型。本文其次利用Profili软件对风轮叶片NACA24XX系列和NACA44XX系列7种二维翼型进行了气动性能分析,获取了翼型的升力系数、阻力系数、升阻比和力矩系数与攻角α的变化关系,在此之上得到了NACA44XX系列和NACA24XX系列的翼型气动数据,为风轮叶片的气动性能分析提供了基础数据。本文最后以最大功率系数为优化目标,以弦长和扭角为设计变量,以叶尖与轮毂损失F作为补充条件,同时考虑风速的分布,采用基于Wilson法数学模型并利用MATLAB工具进行优化设计和修正,得到叶片最佳弦长和扭角的分布情况,并将修正前后的弦长和扭角随着叶片展向进行对比,结果显示优化后的风机叶片气动性能改善,更符合实际制造情况。