不同翼型风电机组风轮叶片的气动设计与模拟实验

【摘要】： 本文在广泛收集翼型设计资料的基础上,研究了国内外翼型的设计方法、目标和策略,收集了国内外的翼型数据,用MATLAB建立了翼型数据库；基于XFOIL软件采用正反设计相结合的方法开发了一套低风速新翼型族LCB09XXX。新翼型外形具有几何面积小、钝后缘、几何兼容性好等优点。根据XFOIL计算的新翼型气动性能表明,翼型升阻比大,最大升力系数高,对前缘粗糙度敏感性低、噪音小以及失速性能好等优点。 接着研究比较了国内外叶片的设计方法,考虑了叶尖和叶根损失,用叶素动量理论建立了叶片设计目标函数,采用遗传算法作为寻优算法,用MATLAB编写了叶片优化设计程序。 最后,设计了4组100W小型风电机组的叶片,(1)A组叶片翼型选取的新翼型LCB09150,叶片设计方法采用的是传统叶片设计方法。(2)B套叶片翼型选取的也是新翼型LCB09150,叶片设计方法采用的是编写的程序,根据实验的结果表明, B组叶片功率曲线优于A组叶片的功率曲线,而且B组叶片在额定风速以上出现了明显的失速现象。说明采用遗传算法寻优程序设计的叶片气动性能优于采用传统设计方法设计的叶片。(3)C组叶片采用的是LCB09210新翼型,叶片设计方法和D组一样,都是采用叶片设计程序设计的。(4)D组叶片采用的NACA63-421翼型,通过与C组实验数据的对比,C组叶片的气动性能好、功率高,在额定风速以上出现了明显的失速现象,说明新翼型的气动性能明显优于航空翼型。 【关键词】：水平轴风力机 翼型设计 遗传算法 叶片设计
【学位授予单位】：华北电力大学（北京）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要3
• ABSTRACT3-7
• 第一章 绪论7-14
• 1.1 风力发电7-10
• 1.1.1 国外风电发展现状7-9
• 1.1.2 国内风电发展现状9-10
• 1.2 研究背景10-12
• 1.2.1 国外研究背景11-12
• 1.2.2 国内研究背景12
• 1.3 研究内容和意义12-14
• 第二章 水平轴风力发电机组新翼型族的设计14-33
• 2.1 引言14-15
• 2.2 风力机专用翼型族研究现状15-17
• 2.2.1 国外风力机专用翼型研究现状15-16
• 2.2.2 国内风力机专用翼型研究现状16-17
• 2.3 风力机翼型特性17-21
• 2.3.1 风力机翼型参数17-18
• 2.3.2 翼型空气动力特性18-20
• 2.3.3 翼型边界层和失速20-21
• 2.4 新翼型族设计方法和策略21-23
• 2.4.1 设计方法21-22
• 2.4.2 设计策略22-23
• 2.5 LCB09XXX翼型族23-25
• 2.6 翼型数据库的建立25-27
• 2.7 新翼型族的气动特性27-28
• 2.8 新翼型族的气动特性分析28-32
• 2.8.1 新翼型族的气动性能28-31
• 2.8.2 新翼型族的气动特性比较31-32
• 2.9 本章小结32-33
• 第三章 风电机组叶片设计理论33-42
• 3.1 引言33
• 3.2 动量理论33-38
• 3.2.1 风轮尾流不旋转时的动量理论33-36
• 3.2.2 风轮尾流旋转时的动量理论36-38
• 3.3 叶素理论38-39
• 3.4 动量叶素理论39-41
• 3.5 本章小结41-42
• 第四章 基于MATLAB遗传算法的叶片优化设计42-61
• 4.1 遗传算法概述42
• 4.2 遗传算法的运行过程42-45
• 4.2.1 完整的遗传算法运算流程42-44
• 4.2.2 遗传算法的基本操作44-45
• 4.3 MATLAB遗传算法的优点45
• 4.4 叶片设计目标模型的建立45-54
• 4.4.1 叶片设计目标数学模型45-47
• 4.4.2 叶片设计程序47
• 4.4.3 叶片设计程序的验证47-54
• 4.5 100W风电机组叶片设计54-59
• 4.5.1 叶片设计原始参数54
• 4.5.2 叶片外形结构设计54-56
• 4.5.3 叶片三位建模56-57
• 4.5.4 叶片材料57-59
• 4.6 100W风电机组轮毂设计59-60
• 4.7 本章小结60-61
• 第五章 100W风力发电机叶轮的功率输出特性实验研究61-72
• 5.1 引言61
• 5.2 发电机实验台实验61-64
• 5.2.1 发电机实验台实验方案61
• 5.2.2 发电机功率特性实验仪器61-62
• 5.2.3 100W发电机功率输出特性实验结果62-64
• 5.3 车载实验及其结果分析64-70
• 5.3.1 实验仪器64
• 5.3.2 车载实验测试系统64-66
• 5.3.3 空气密度的计算和功率的修正66
• 5.3.4 车载实验66-70
• 5.3.4.1 起动风速的测试66
• 5.3.4.2 功率输出特性的比较66-70
• 5.4 本章小结70-72
• 第六章 结论与展望72-74
• 6.1 结论72-73
• 6.2 展望73-74
• 参考文献74-78
• 致谢78-79
• 在学期间发表的学术论文和参加科研情况79

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