风力机翼型及叶片优化设计理论

本书是作者及其研究团队在多个国家和省部级以及横向项目基础上的研究成果的总结，主要内容以风力机翼型及叶片空气动力学理论为基础，开创性地引入保角变换理论，结合泛函分析方法，提出了一系列风力机翼型参数化优化设计方法，并设计出了相对厚度在12%~40%的翼型系列；对风力机新型翼型进行了模型试制及风洞实验对比分析，验证了新设计的翼型具有较好的气动性能等。

陈进，男，1956年5月生，工学博士，教授，重庆大学机械设计及理论专业博士生导师，建设部有突出贡献的中青年专家，中国能源学会理事，中国工程机械学会理事。1 990年在斯洛文尼亚卢布尔雅那大学(universityofLiubljana)获博士学位。1 996年、2005年和2010年分别在德国亚琛工业大学、美国迈阿密大学和丹麦技术大学做高级访问学者。

长期从事机械优化设计和流体力学领域的教学和科研工作。主要研究方向为机械优化设计和可再生能源装备设计理论。

先后承担国家“九五”攻关项目2项、863计划项目2项、国家自然科学基金项目3项。获国家发明专利9项，公开国际发明专利2项。获省部级科技进步奖3项、教学成果奖1项。获国际埃尼奖(Eni Award 2014)提名。在风力机翼型和叶片设计方面的研究成果发表在Wind Energy、Renewable Energy、Joutnal of Fluids andStructures、Materials&Design、《机械工程学报》、《太阳能学报》和《空气动力学学报》等国内外著名期刊上，并被scI、EI收录30余篇。

前言

第1章绪论

1.1引言

1.2国内外研究现状

1.2.1风力机翼型设计理论研究

1.2.2风力机叶片气动外形设计理论研究

1.2.3复合材料风力机叶片结构设计理论研究

1.2.4风力机叶片气动弹性理论研究

第2章风力机翼型空气动力特性

2.1概述

2.2风力机翼型基本理论

2.2.1翼型几何参数

2.2.2雷诺数

2.2.3马赫数

2.2.4边界层

2.2.5任意翼型位流求解法

2.3翼型空气动力特性

2.3.1翼面压力系数

2.3.2升力系数

2.3.3阻力系数

2.3.4俯仰力矩系数

2.4翼型的失速

2.5翼型表面粗糙度

2.6翼型几何参数对翼型气动特性的影响

2.6.1翼型前缘半径的影响

2.6.2最大相对厚度及其位置的影响

2.6.3最大弯度及其位置的影响

2.7雷诺数对翼型气动特性的影响

2.8翼型气动性能预测方法

2.8.1XFOIL及RFOIL介绍

2.8.2翼型气动性能计算分析

2.9本章小结

第3章风力机翼型型线集成理论

3.1引言

3.2翼型变换理论

3.2.1保角变换

3.2.2儒可夫斯基翼型变换

3.2.3西奥道生法

3.3通用翼型的集成表达理论

3.3.1三角函数表征翼型形状函数

3.3.2泰勒级数表征翼型形状函数

3.4集成典型型线分析

3.4.1Ⅰ型型线

3.4.2Ⅱ型型线

3.4.3Ⅲ型型线

3.5翼型集成型线通用性

3.5.1一阶拟合

3.5.2二阶拟合

3.5.3三阶拟合

3.6形状函数控制方程

3.6.1翼型尖后缘特性

3.6.2横坐标偏置特性

3.6.3纵坐标偏置特性

3.6.4设计空间

3.7翼型参数化集成收敛性

3.7.1几何收敛特性

3.7.2气动收敛特性

3.8本章小结

第4章风力机翼型型线参数优化设计理论

4.1引言

4.2风力机翼型设计要求

4.2.1结构和几何兼容性

4.2.2最大升力系数对前缘粗糙度不敏感性

4.2.3设计升力系数

4.2.4最大升力系数及深失速特性

4.2.5低噪声

4.3风力机翼型单目标优化设计

4.3.1优化设计目标函数

4.3.2优化设计变量

4.3.3优化设计约束条件

4.3.4MATLAB及其优化设计方法

4.3.5优化设计结果

4.3.6优化翼型的粗糙敏感度

4.3.7优化翼型性能的比较分析

4.4风力机翼型多目标优化设计

4.4.1设计变量

4.4.2目标函数

4.4.3约束条件

4.4.4多目标遗传算法思路

4.4.5WT高性能风力机翼型

4.4.6WTH高升阻比翼型

4.4.7WTI低敏感性翼型

4.5中等厚度风力机专用翼型设计

4.5.1中等厚度翼型几何特性

4.5.2中等厚度翼型气动特性

4.5.3中等厚度新翼型设计

4.5.4雷诺数、紊流条件及三维旋转效应影响

4.6基于噪声的风力机翼型设计

4.6.1风力机气动噪声理论

4.6.2噪声的度量

4.6.3翼型噪声计算模型

4.6.4噪声计算对比分析

4.6.5翼型几何参数对翼型噪声的影响

4.6.6高效噪比风力机翼型设计

4.7基于二维风能利用系数的翼型设计

4.7.1翼型族优化模型

4.7.2计算工况及流程

4.7.3CQU—DTU—B翼型族

4.7.4翼型尾缘对翼型性能的影响

4.8基于曲率光滑连续性的风力机翼型改进设计

4.8.1翼型形函数表面曲率连续性

4.8.2翼型型线光滑连续性

4.8.3翼型改进与优化

4.8.4优化结果

4.9高性能风力机翼型族的设计

4.9.1薄翼型族优化结果及对比分析

4.9.2中等厚度及大厚度翼型设计新方法

4.9.3较厚翼型优化模型的建立

4.9.4优化结果及性能对比分析

4.10本章小结

第5章新型风力机翼型模型试制及风洞试验分析

5.1引言

5.2翼型模型设计与制作

5.3试验装置、方法及数据处理

5.3.1风洞

5.3.2模型安装

5.3.3测试仪器

5.3.4试验内容及数据处理

5.4试验结果

5.4.1自由转捩工况

5.4.2固定转捩工况

5.4.3试验结果与理论计算对比分析

5.4.4不同翼型风洞试验结果对比

5.5本章小结

第6章风力机空气动力学以及风轮叶尖修正理论

6.1引言

6.2风力机叶片空气动力学

6.2.1动量理论

6.2.2叶素理论

6.2.3叶素动量理论

6.3风轮叶尖损失修正模型

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叶尖损失修正模型的风轮空气动力学模型

6.5实验验证

6.6本章小结

……

第7章风力机叶片三维曲面形状集成表达

第8章风力机叶片的形状优化设计

第9章复合材料风力机新型叶片结构优化设计

第10章风力机叶片气动弹性耦合分析

第11章风力机叶片二元翼段气动弹性稳定性分析

参考文献

《风力机翼型及叶片优化设计理论/绿色能源科学与技术丛书·卷三》介绍了风力机专用翼型、叶片气动外形及其内部结构的设计理论与方法，主要包括五部分内容：风力机专用翼型族的设计理论与方法，新翼型族的风洞试验，叶片气动外形设计与优化，复合材料风力机新型叶片结构优化设计以及叶片二元翼段气动弹性稳定性分析。除了阐述风力机叶片设计相关基本概念和基本理论外，书中重点介绍了目前风力机专用翼型设计中先进的理念与方法、叶片气动性能优化设计方法以及气动载荷条件下的复合材料风力机叶片结构优化设计方法，并给出了结果评价。

《风力机翼型及叶片优化设计理论/绿色能源科学与技术丛书·卷三》可作为高等院校风电相关专业的研究生以及风电相关行业科研院所的工作人员的参考书，也可供机械工业部门和其他工业部门气动与结构设计人员参考。

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 绪论

1.1 风力机的发展史

1.1.1 人类早期对风能的利用

1.1.2 风力发电

1.2 风与风能

1.2.1 大气科学的基础知识

1.2.2 风的形成

1.2.3 风的特性

1.2.4 风能

1.2.5 风能区划分

复习思考题

第2章 风力机的类型与结构

2.1 风力发电机的类型

2.2 风力发电机的结构

2.3 翼型简介

复习思考题

第3章 风力机的基本设计理论

3.1 贝兹理论

3.2 经典设计理论

3.2.1 涡流理论

3.2.2 叶素理论

3.2.3 动量理论

3.2.4 动量叶素理论

3.2.5 叶片梢邪损失和根部损失修正

3.2.6 塔影效果

3.2.7 偏斜流修上

3.2.8 风剪切

3.3 风力机叶片的字动力特性

3.3.1 翼型的几何定义

3.3.2 作用于运动叶片上的空气动力

3.3.3 升力系数和阻力系数的变化

复习思考题

第4章 风力机的载荷分析

4.1 概述

4.2 叶片的结构

4.2.1 水平轴风力机叶片的结构与特点

4.2.2 垂直轴风力机叶片的结构与特点

4.3 风轮的气动载荷分析与计算

4.3.1 翼型的来流速度

4.3.2 空气动力载荷

4.3.3 离心力载荷

4.3.4 重力载荷

4.4 作用在整个风力机上的力

4.4.1 轴向推力

4.4.2 俯仰力矩

4.5 载荷情况

复习思考题

第5章 风力机的设计

5.1 风力机没计方案

5.1.1 风场

5.1.2 风力发电机组等级

5.1.3 机组设计参数

5.1.4 离网型风力发电机组的基本配置

5.1.5 并网型风力发电机组的基本配置

5.2 风力机叶片的基本设计方法

5.2.1 叶片设计参数

5.2.2 叶片的基本设计方法

5.2.3 叶片的内部结构

5.2.4 叶片材料

5.2.5 叶片的加工工艺

5.3 风力发电机叶片设计举例

5.3.1 综合优化目标

5.3.2 约束条件

‘5.3.3 算法的实现

5.3.4 叶片优化设计实例

5.3.5 外形坐标设计

5.4 风力机其他组件的设计方法

5.4.1 发电机

5.4.2 轮毂

5.4.3 逆变器

5.4.4 蓄电池

5.4.5 塔架

5.4.6 传动装置

5.4.7 机舱

5.4.8 刹车和锁定装置

5.4.9 液压系统

5.4.10 偏航机械系统

5.4.11 控制系统

复习思考题

第6章 风力发电机输出功率特性

6.1 风轮转速

6.2 风力发电机组功率特性的测定

6.2.1 试验场地

6.2.2 测试仪器

6.2.3 比恩法

6.2.4 数据采集

6.2.5 数据筛选

6.2.6 数据回归

6.2.7 功率测定

6.3 风力发电机气动性能参数

6.4 年发电量计算

6.5 输出功率的控制

6.5.1 定桨距风力发电机组的功率控制

6.5.2 变桨距风力发电机组的功率控制

6.5.3 变速风力发电机组的功率控制

复习思考题

第7章 风力发电机组的参数选择与匹配

7.1 风力发电机组的参数与选择

7.1.1 小型风力发电机组的技术参数

7.1.2 中型风力发电机组的技术参数

7.1.3 大型风力发电机组的技术参数

7.2 风力发电机组的选型与性能匹配

7.2.1 风力发电机组选型的原则

7.2.2 风力发电机组选型的影响因素

复习思考题

第8章 风力发电机组的常见故障与检修

8.1 风力发电机组的常见故障

8.1.1 齿轮箱的常见故障及预防措施

8.1.2 风力发电机组发电机的常见故障

8.1.3 偏航系统的常见故障

8.1.4 控制与安全系统的常见故障

8.2 风力发电机组的检测与维护

8.2.1 风力发电运行检修员的资质

8.2.2 风力发电机组维护检修管理的基础工作

8.2.3 风力发电机组维护检修安全措施

8.2.4 风力发电机组维护检修项目

8.2.5 维护检修计划

8.2.6 机组常规巡检和故障处理

8.2.7 风力发电机组的年度例行维护

复习思考题

参考文献2100433B