大型水平轴风力机优化设计及其气动性能分析.pdf

摘要

摘要

随着风电行业的不断发展，风力机的规模越来越大，然而，风力机在实际运行中

经常会面临各种复杂的环境因素，如湍流、风速、风向等，这些因素会对叶片的安全

与性能产生很大的影响。叶片作为风力机的核心部件，其设计和性能分析是风力机研

发的核心，对于提高风力机的性能和稳定性具有重要意义。目前大部分研究都集中在

稳态流动情况下，针对非定常来流条件下大型水平轴风力机气动特性研究分析较少，

因此，本文基于叶素动量(BEM)理论设计了一台1.5MW水平轴风力机，针对不同来

流条件采用计算流体动力学(CFD)和BEM理论两种方法对设计的大型水平轴风力机气

动特性进行空气动力学分析。主要内容如下：

(1)设计并建立风力机三维模型，验证模型的准确性；

本文基于BEM理论和Wilson法，使用MATLAB非线性约束工具箱对风力机叶片

弦长和扭角进行参数优化设计，以最大化风能利用系数为目标函数，考虑了风力机轮

毂以及叶尖损失。通过计算得到各翼型在叶片展长方向上的弦长和扭角数据，最后使

用建模软件建立了一台1.5MW三维风力机模型。

(2)采用不同计算方法进行风力机气动性能分析；

本文划分计算域和非结构化网格，采用SSTk-ω湍流模型，在额定工况下针对二维

翼型进行数值模拟，验证湍流模拟的准确性，完成了柔性叶片的单向流固耦合分析，

获取了不同位置处的速度云图和流场流线图。结果表明，叶片中部及叶尖的上下表面

压力差较大，是产生动能的主要区域。叶片具有较强的刚度，运行时叶尖处变形量较

小且不会发生共振，设计满足性能及可靠性要求。

利用QBlade软件计算了风力机叶片载荷，考虑了两种针对BEM的叶根叶尖修正

方法，将得到的结果与CFD计算结果进行对比，结果表明，升力系数在叶根处偏小而

在叶尖处偏大，法向力和切向力也有同样的趋势，Shen修正的BEM相较于Prandtl修

正的BEM的对于法向力的预测要更加准确。

(3)开展不同来流条件下风力机非定常气动特性分析；

在离心力和科氏力作用下，叶片吸力面发生流动分离，可以看到叶根和叶尖涡，

随着风速的增加失速区域逐渐增大。通过针对风力机尾流采用改进的延迟分离涡方法

(IDDES)以及雷诺时均方法(RANS)的数值模拟分析可以看出，IDDES能够捕获更加精

确的涡结构，RANS相对于IDDES方法描述湍流流动精度较低。利用用户定义函数

(UDF)研究正弦振荡流对风力涡轮机性能的影响，结果表明：在非定常来流条件下，

叶尖部位尤其是前缘吸力面对来流敏感程度较高。

关键词：风力机；非定常气动特性；BEM；叶根叶尖损失修正；尾流

Abstract

Abstract

Withthecontinuousdevelopmentofthewindpowerindustry,windturbinesareincreasing

insize.However,windturbinesoftenfacevariouscomplexenvironmentalfactorssuchas

turbulence,windspeed,andwinddirection,whichsignificantlyimpactthesafetyand

performanceoftheturbineblades.Asthecorecomponentofwindturbines,thedesignand

performanceanalysisofturbinebladesareessentialforimprovingtheperformanceandstability

ofwindturbines.Currently,mostresearchfocusesonsteady-stateflowconditions,withlimited

studiesan