風力機翼型及葉片優(yōu)化設計理論

本書是作者及其研究團隊在多個國家和省部級以及橫向項目基礎上的研究成果的總結，主要內容以風力機翼型及葉片空氣動力學理論為基礎，開創(chuàng)性地引入保角變換理論，結合泛函分析方法，提出了一系列風力機翼型參數(shù)化優(yōu)化設計方法，并設計出了相對厚度在12%~40%的翼型系列；對風力機新型翼型進行了模型試制及風洞實驗對比分析，驗證了新設計的翼型具有較好的氣動性能等。

陳進，男，1956年5月生，工學博士，教授，重慶大學機械設計及理論專業(yè)博士生導師，建設部有突出貢獻的中青年專家，中國能源學會理事，中國工程機械學會理事。1 990年在斯洛文尼亞盧布爾雅那大學(universityofLiubljana)獲博士學位。1 996年、2005年和2010年分別在德國亞琛工業(yè)大學、美國邁阿密大學和丹麥技術大學做高級訪問學者。

長期從事機械優(yōu)化設計和流體力學領域的教學和科研工作。主要研究方向為機械優(yōu)化設計和可再生能源裝備設計理論。

先后承擔國家“九五”攻關項目2項、863計劃項目2項、國家自然科學基金項目3項。獲國家發(fā)明專利9項，公開國際發(fā)明專利2項。獲省部級科技進步獎3項、教學成果獎1項。獲國際埃尼獎(Eni Award 2014)提名。在風力機翼型和葉片設計方面的研究成果發(fā)表在Wind Energy、Renewable Energy、Joutnal of Fluids andStructures、Materials&Design、《機械工程學報》、《太陽能學報》和《空氣動力學學報》等國內外著名期刊上，并被scI、EI收錄30余篇。

前言

第1章緒論

1.1引言

1.2國內外研究現(xiàn)狀

1.2.1風力機翼型設計理論研究

1.2.2風力機葉片氣動外形設計理論研究

1.2.3復合材料風力機葉片結構設計理論研究

1.2.4風力機葉片氣動彈性理論研究

第2章風力機翼型空氣動力特性

2.1概述

2.2風力機翼型基本理論

2.2.1翼型幾何參數(shù)

2.2.2雷諾數(shù)

2.2.3馬赫數(shù)

2.2.4邊界層

2.2.5任意翼型位流求解法

2.3翼型空氣動力特性

2.3.1翼面壓力系數(shù)

2.3.2升力系數(shù)

2.3.3阻力系數(shù)

2.3.4俯仰力矩系數(shù)

2.4翼型的失速

2.5翼型表面粗糙度

2.6翼型幾何參數(shù)對翼型氣動特性的影響

2.6.1翼型前緣半徑的影響

2.6.2最大相對厚度及其位置的影響

2.6.3最大彎度及其位置的影響

2.7雷諾數(shù)對翼型氣動特性的影響

2.8翼型氣動性能預測方法

2.8.1XFOIL及RFOIL介紹

2.8.2翼型氣動性能計算分析

2.9本章小結

第3章風力機翼型型線集成理論

3.1引言

3.2翼型變換理論

3.2.1保角變換

3.2.2儒可夫斯基翼型變換

3.2.3西奧道生法

3.3通用翼型的集成表達理論

3.3.1三角函數(shù)表征翼型形狀函數(shù)

3.3.2泰勒級數(shù)表征翼型形狀函數(shù)

3.4集成典型型線分析

3.4.1Ⅰ型型線

3.4.2Ⅱ型型線

3.4.3Ⅲ型型線

3.5翼型集成型線通用性

3.5.1一階擬合

3.5.2二階擬合

3.5.3三階擬合

3.6形狀函數(shù)控制方程

3.6.1翼型尖后緣特性

3.6.2橫坐標偏置特性

3.6.3縱坐標偏置特性

3.6.4設計空間

3.7翼型參數(shù)化集成收斂性

3.7.1幾何收斂特性

3.7.2氣動收斂特性

3.8本章小結

第4章風力機翼型型線參數(shù)優(yōu)化設計理論

4.1引言

4.2風力機翼型設計要求

4.2.1結構和幾何兼容性

4.2.2最大升力系數(shù)對前緣粗糙度不敏感性

4.2.3設計升力系數(shù)

4.2.4最大升力系數(shù)及深失速特性

4.2.5低噪聲

4.3風力機翼型單目標優(yōu)化設計

4.3.1優(yōu)化設計目標函數(shù)

4.3.2優(yōu)化設計變量

4.3.3優(yōu)化設計約束條件

4.3.4MATLAB及其優(yōu)化設計方法

4.3.5優(yōu)化設計結果

4.3.6優(yōu)化翼型的粗糙敏感度

4.3.7優(yōu)化翼型性能的比較分析

4.4風力機翼型多目標優(yōu)化設計

4.4.1設計變量

4.4.2目標函數(shù)

4.4.3約束條件

4.4.4多目標遺傳算法思路

4.4.5WT高性能風力機翼型

4.4.6WTH高升阻比翼型

4.4.7WTI低敏感性翼型

4.5中等厚度風力機專用翼型設計

4.5.1中等厚度翼型幾何特性

4.5.2中等厚度翼型氣動特性

4.5.3中等厚度新翼型設計

4.5.4雷諾數(shù)、紊流條件及三維旋轉效應影響

4.6基于噪聲的風力機翼型設計

4.6.1風力機氣動噪聲理論

4.6.2噪聲的度量

4.6.3翼型噪聲計算模型

4.6.4噪聲計算對比分析

4.6.5翼型幾何參數(shù)對翼型噪聲的影響

4.6.6高效噪比風力機翼型設計

4.7基于二維風能利用系數(shù)的翼型設計

4.7.1翼型族優(yōu)化模型

4.7.2計算工況及流程

4.7.3CQU—DTU—B翼型族

4.7.4翼型尾緣對翼型性能的影響

4.8基于曲率光滑連續(xù)性的風力機翼型改進設計

4.8.1翼型形函數(shù)表面曲率連續(xù)性

4.8.2翼型型線光滑連續(xù)性

4.8.3翼型改進與優(yōu)化

4.8.4優(yōu)化結果

4.9高性能風力機翼型族的設計

4.9.1薄翼型族優(yōu)化結果及對比分析

4.9.2中等厚度及大厚度翼型設計新方法

4.9.3較厚翼型優(yōu)化模型的建立

4.9.4優(yōu)化結果及性能對比分析

4.10本章小結

第5章新型風力機翼型模型試制及風洞試驗分析

5.1引言

5.2翼型模型設計與制作

5.3試驗裝置、方法及數(shù)據(jù)處理

5.3.1風洞

5.3.2模型安裝

5.3.3測試儀器

5.3.4試驗內容及數(shù)據(jù)處理

5.4試驗結果

5.4.1自由轉捩工況

5.4.2固定轉捩工況

5.4.3試驗結果與理論計算對比分析

5.4.4不同翼型風洞試驗結果對比

5.5本章小結

第6章風力機空氣動力學以及風輪葉尖修正理論

6.1引言

6.2風力機葉片空氣動力學

6.2.1動量理論

6.2.2葉素理論

6.2.3葉素動量理論

6.3風輪葉尖損失修正模型

6.3.1 Glauert修正模型

6.3.2 Wilson和Lissaman修正模型

6.3.3deVries修正模型

6.3.4Shen修正模型

6.4基于Shen葉尖損失修正模型的風輪空氣動力學模型

6.5實驗驗證

6.6本章小結

……

第7章風力機葉片三維曲面形狀集成表達

第8章風力機葉片的形狀優(yōu)化設計

第9章復合材料風力機新型葉片結構優(yōu)化設計

第10章風力機葉片氣動彈性耦合分析

第11章風力機葉片二元翼段氣動彈性穩(wěn)定性分析

參考文獻

《風力機翼型及葉片優(yōu)化設計理論/綠色能源科學與技術叢書·卷三》介紹了風力機專用翼型、葉片氣動外形及其內部結構的設計理論與方法，主要包括五部分內容：風力機專用翼型族的設計理論與方法，新翼型族的風洞試驗，葉片氣動外形設計與優(yōu)化，復合材料風力機新型葉片結構優(yōu)化設計以及葉片二元翼段氣動彈性穩(wěn)定性分析。除了闡述風力機葉片設計相關基本概念和基本理論外，書中重點介紹了目前風力機專用翼型設計中先進的理念與方法、葉片氣動性能優(yōu)化設計方法以及氣動載荷條件下的復合材料風力機葉片結構優(yōu)化設計方法，并給出了結果評價。

《風力機翼型及葉片優(yōu)化設計理論/綠色能源科學與技術叢書·卷三》可作為高等院校風電相關專業(yè)的研究生以及風電相關行業(yè)科研院所的工作人員的參考書，也可供機械工業(yè)部門和其他工業(yè)部門氣動與結構設計人員參考。

Preface

1 Introduction

2 Aerodynamic characteristics of wind turbine airfoils

3 Integrated expressions of wind turbine airfoils

4 Theory of parametric optimization for wind turbine airfoils

5 Experiments on the wind turbine airfoil and data analysis

6 Aerodynamics of wind turbine rotors and tip-loss corrections

7 Integrated representations for wind turbine blade shapes twist variations

8 Shape optimization of wind turbine blades

9 Structural optimization of composite wind turbine blades

10 Analysis of the aeroelastic coupling of wind turbine blades

11 Aeroelastic stability analysis of two-dimensional airfoil sections for wind turbine blades

References 2100433B

第1章 緒論

1.1 風力機的發(fā)展史

1.1.1 人類早期對風能的利用

1.1.2 風力發(fā)電

1.2 風與風能

1.2.1 大氣科學的基礎知識

1.2.2 風的形成

1.2.3 風的特性

1.2.4 風能

1.2.5 風能區(qū)劃分

復習思考題

第2章 風力機的類型與結構

2.1 風力發(fā)電機的類型

2.2 風力發(fā)電機的結構

2.3 翼型簡介

復習思考題

第3章 風力機的基本設計理論

3.1 貝茲理論

3.2 經典設計理論

3.2.1 渦流理論

3.2.2 葉素理論

3.2.3 動量理論

3.2.4 動量葉素理論

3.2.5 葉片梢邪損失和根部損失修正

3.2.6 塔影效果

3.2.7 偏斜流修上

3.2.8 風剪切

3.3 風力機葉片的字動力特性

3.3.1 翼型的幾何定義

3.3.2 作用于運動葉片上的空氣動力

3.3.3 升力系數(shù)和阻力系數(shù)的變化

復習思考題

第4章 風力機的載荷分析

4.1 概述

4.2 葉片的結構

4.2.1 水平軸風力機葉片的結構與特點

4.2.2 垂直軸風力機葉片的結構與特點

4.3 風輪的氣動載荷分析與計算

4.3.1 翼型的來流速度

4.3.2 空氣動力載荷

4.3.3 離心力載荷

4.3.4 重力載荷

4.4 作用在整個風力機上的力

4.4.1 軸向推力

4.4.2 俯仰力矩

4.5 載荷情況

復習思考題

第5章 風力機的設計

5.1 風力機沒計方案

5.1.1 風場

5.1.2 風力發(fā)電機組等級

5.1.3 機組設計參數(shù)

5.1.4 離網型風力發(fā)電機組的基本配置

5.1.5 并網型風力發(fā)電機組的基本配置

5.2 風力機葉片的基本設計方法

5.2.1 葉片設計參數(shù)

5.2.2 葉片的基本設計方法

5.2.3 葉片的內部結構

5.2.4 葉片材料

5.2.5 葉片的加工工藝

5.3 風力發(fā)電機葉片設計舉例

5.3.1 綜合優(yōu)化目標

5.3.2 約束條件

‘5.3.3 算法的實現(xiàn)

5.3.4 葉片優(yōu)化設計實例

5.3.5 外形坐標設計

5.4 風力機其他組件的設計方法

5.4.1 發(fā)電機

5.4.2 輪轂

5.4.3 逆變器

5.4.4 蓄電池

5.4.5 塔架

5.4.6 傳動裝置

5.4.7 機艙

5.4.8 剎車和鎖定裝置

5.4.9 液壓系統(tǒng)

5.4.10 偏航機械系統(tǒng)

5.4.11 控制系統(tǒng)

復習思考題

第6章 風力發(fā)電機輸出功率特性

6.1 風輪轉速

6.2 風力發(fā)電機組功率特性的測定

6.2.1 試驗場地

6.2.2 測試儀器

6.2.3 比恩法

6.2.4 數(shù)據(jù)采集

6.2.5 數(shù)據(jù)篩選

6.2.6 數(shù)據(jù)回歸

6.2.7 功率測定

6.3 風力發(fā)電機氣動性能參數(shù)

6.4 年發(fā)電量計算

6.5 輸出功率的控制

6.5.1 定槳距風力發(fā)電機組的功率控制

6.5.2 變槳距風力發(fā)電機組的功率控制

6.5.3 變速風力發(fā)電機組的功率控制

復習思考題

第7章 風力發(fā)電機組的參數(shù)選擇與匹配

7.1 風力發(fā)電機組的參數(shù)與選擇

7.1.1 小型風力發(fā)電機組的技術參數(shù)

7.1.2 中型風力發(fā)電機組的技術參數(shù)

7.1.3 大型風力發(fā)電機組的技術參數(shù)

7.2 風力發(fā)電機組的選型與性能匹配

7.2.1 風力發(fā)電機組選型的原則

7.2.2 風力發(fā)電機組選型的影響因素

復習思考題

第8章 風力發(fā)電機組的常見故障與檢修

8.1 風力發(fā)電機組的常見故障

8.1.1 齒輪箱的常見故障及預防措施

8.1.2 風力發(fā)電機組發(fā)電機的常見故障

8.1.3 偏航系統(tǒng)的常見故障

8.1.4 控制與安全系統(tǒng)的常見故障

8.2 風力發(fā)電機組的檢測與維護

8.2.1 風力發(fā)電運行檢修員的資質

8.2.2 風力發(fā)電機組維護檢修管理的基礎工作

8.2.3 風力發(fā)電機組維護檢修安全措施

8.2.4 風力發(fā)電機組維護檢修項目

8.2.5 維護檢修計劃

8.2.6 機組常規(guī)巡檢和故障處理

8.2.7 風力發(fā)電機組的年度例行維護

復習思考題

參考文獻2100433B