600kW变桨距风力机叶轮优化设计及数值计算

叶轮实度为 ： 普朗特 叶尖损失 因子为
Ｆ＝ ２
￣
１ ． 型的确 定 ． ２翼 １
在 翼型 的选 择上 ，本 文设计 的叶片各 截面采用 同一类翼
型——Ｆ Ａ系列翼 型。 Ｆ
ａｃ 。 （ Ｒ ｒｃ ｓ 一 Ｂ － ｒ
－
） １
订
ｃ＝ ｌｉ ，Ｃ ｏ Ｉｃ ｎ 一 ｓ４ Ｃ＝ ｔｏ６ Ｃｓ ６ ．Ｃ ｃｓ ＋ ａ ｎ ｉ
一
１１ 风 轮 直径的 确定 ．１ ．
： 一 一
Ｄ／ ＝ 、
式 中： 功率 系数 ， 一 一般墩 ０４ — ．５ ．３ ０ ； ４
ｌｂ ４ ｓ ６ ｏ￣ ＋ Ｆｉ ｃｓ ｎ ｂ 其中 ：
力一传动系统效率 ， 。 一般取 ０ ２ ．； ９
钾 发 电机效率 ， 厂一 一般取 ０９ 。 ． ５
（Ｎ ｒ ｗ ｓ ｍ ｏ ｔｅ ｎｅｌ ｎｖｒ ｔ，ｉ ｎ７ ０ ７ ，ｈｎ ） Ｓ ａ ｇａ ｊ ｏ ｎ ｎｖｒｉ ， ａ ｇａ ２ ０ ３ ，ｈｎ ） ’ｏｔ ｅｔ Ｐ ｌ ｅｈ ｉａ Ｕ ｉ ｓｙ ＇ １０ ２ ｉａ （ ｈ ｎｈ ｉｉ ｔ ｇＵ ｉ ｓｙ ｈ ｎｈ ｉ ０ ０ ０Ｃ ｉａ ｈ ｅ ｙ ｅｉ Ｘ ａ Ｃ ａ ｏ ｅ ｔＳ
＝
１ 设计 方法简介
１１ 量 叶素设计 方法 ，动
风力机 叶轮设计主要是确定 叶片数 、 直径 、 翼型 、 安装角和 弦长 ５个参 数。
４ ｂ
－
ｘ
６ｒ 铬 ＝ｔ ａｎ ｃ ａ
口 Ｃ
现代风力机 叶尖速 比较高 ， 采用三叶片叶轮 。
１ｎ ４ ｓ ２ 一 Ｆｉ ｄ ｎ￣
通过分析整个加工的生产过程厦其工作原理进行了多边形箍筋设备的整机结构设计改变了传统箍筋方式的非自动化和不科学的现状使得整个箍筋过程实现了自动化提高了生产效率及箍筋的生产质量
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机 械 设 计 与 制 造
一
４一
Ｍａ ｈ ｎ ｒ Ｄｅ ｉｎ ｃ ｉｅｙ ｓｇ
＆
Ｍａ ｕ ａ ｔ ｒ ｎ ｆｃｕｅ
第１ ０期 ２０ ０ ７年 １ ０月
文章编号 ： ０ — ９ ７ ２０ ） － ０ ４ ０ １ １ ３９ （０ ７ １ ００ － ２ ０ ０
６０Ｗ 变桨距风 力机 叶轮 优化设计及数值 计算 ０ｋ
肖 俊 席德 科 赵 旭 孙 刚
（ 西北 工业 大学 ， ’ 西安 ７ ０ ７ （ １ ０ ２） 上海 交通 大 学 ， 上海 ２ ０ ３ ０ ０ ０）
第 ｌ 期 ０
肖 俊等 ：０ｋ 变桨距风力机叶轮优化设计及数值计算 ６０Ｗ
２３优化 设计 法结 果 ．
优化设计 出的截面安装角和弦长如表 ２ 所示 ： 表 ２ 优化截面安装角与弦长
一５—
１２ 复 合形优 化设 计方 法 －
１． ． １复合 形法 简介 ２
复合形法属于直接法 ，是一种非常有效的的求解 有约束优 化问题的方 法。它的基本思路是在一个可行域内构造 一个具有
ｏ ｔ ｚ ｅ ｉｎ ｏ ｅ ０ ｋ ｎ ｒ ｉｅ ｂａ ｅ ｎ ｕ ｒ ａ ｉ ｌｔ ｎ ｐ ｉ ｅ ｄ ｓｇ ｆ ｈ ６ ０ Ｗ ｗｉｄｔ ｂｎ ｌｄ ｓａ ｄ ｎ ｍｅ ｉ ｌ ｍｕａ ｉ ｍｉ ｔ ｕ ｃ ｓ ｏ
ＸＩ ｕ Ｉ － ｅ ， ＨＡＯ Ｘｕ Ｕ Ｇ ｎ ＡＯ Ｊ ｎ ， Ｄｅ ｋ ’Ｚ ＸＩ ｌ Ｎ ａ ｇ ９ Ｓ
ｋ个顶点 的初 始复合 形。对该 复合形各顶点 的目标 函数值进行 比较 ， 去掉 比目标函数值有 所下 降的可行 的新点 ， 并用此点代替 最坏点 ， 构成新的复合形。复合形 的形状每改变一次 ， 就向最优
点移动一步 ， 直至逼近最优点 。该方法 的适应性较强 ， 在优化设 计中得 到广泛应用 。 １２２ 化 设 计 ．．优 （） １数学模型 风力机 的气动性能主要取 决于桨叶的气动外形参数 ，在基 本的设计参数和各截面翼型确定后 ，就需要 根据设计 目标确定 截 面的弦长和扭角。本文的优 化设计就是采用复合形法对风轮
１１ ．． ３叶轮 转速 的确定
参照国内外 同类风力机转数设计经验选取。
当 ｄ ｄ 功率 系数取最大值为条件进行优化 。 Ｇ／６， 对于 ｎ ｂ 和 的初值 ， 一般可取 ０ 。经过反复迭代 ， 可求得 ａ和 ｂ的最优值。
１１ 安 装 角的确 定 ．４ ．
倾斜 角 ： ４ ｔ， ｇ ＝ Ａ
可 以看 出， 在相 同位 置处 ， 优化设计的弦长要小于传统设计
的 弦长 。
３数值模拟分析
３１模 型 的建 立及性 能计 算 ．
将计算得到的不同半径处 的安装 角、弦长数据转换成考虑
导 Ａ Ｉ 进行优化设计 。由于风轮实度把 Ｃ ｌ Ｃ 的大小与实际功率联系起 了安装角 的三维座标 ， 入到 Ｇ ＭＢＴ中并建 立三维模型 。其 对计算 区域进行 非结 构化 网格划分 ， 由于 Ｆ Ｕ Ｎ Ｌ Ｅ Ｔ在迭代 来， 考虑涡流运动 、 翼型阻力 、 叶片数等因素后 ， 以功率 系数取最 次 ， 计算前要先对边界条件 重新设置并进行 初始化 ， Ｇ ＭＢＴ中 在 Ａ Ｉ 大值对 叶轮进行优化设计 。 （） ２ 设计 变量 型， ０ ５ 在 ． Ｒ处附近是 主要产生功率 的中心 区域 。 ７ 因此在叶片展 向上 ０ ５ ０ Ｒ，． Ｒ．Ｒ处取 四个计算剖 面，弦长分别 为 Ｃ， ． Ｒ，． ０ ５ １ ２ ５ ７
当风轮叶片部分进入涡环状态时 ， 动揖方程不再适用 。 则需
要用威尔森修正方法或葛劳渥特修 正方法对动量一 叶素理论进 行修正。
根据所选翼型的最佳攻 角 Ｏ就可以确定安装角为 ：＝ 一ｔ ｔ ｏ６ Ｏ －
来稿 １期 ：０６ １— ２ ３ ２０ — ２ １
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中图分类 号 ： ２ ４ 文献标 识码 ： ０２ Ａ
风力机 叶轮是将 风的动能有效转换为机械 能和 电能 的核心 １１５弦 长 的 确 定 ．． 部件 ， 它的设计极为重要 。目前 ， 兆瓦级风力机组多采用变速恒 频风力发 电机组的形式 。 这种形式 的风力发 电机组 ， 其风轮叶片
，１
８ ｂ ｉ￣ 订ｒ ｓｎ ｂ
丽丽
桨距角可 以调节 ， 同时发电机 可以变速 ， 出恒频恒压电能。对 输 此类风力机进行设计 和数值模拟计 ， 具有工程应用价值 。
轴向诱导 因子 ｎ和周 向诱导因子 ｂ 。 当考虑 了叶损失等因素后 ， 根据 Ｇａｅｔ ｌｕｒ环动量理论可得
到桨 叶的功率系数可表示 为 ：