风电机叶片设计参数的整体优化.pdf

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1、第22卷第2期机电产品开发与钏新Vo1．22，No．22009年3月Development＆InnovationofMachinery＆ElectricalProductsMar．．2009风电机叶片设计参数的整体优化屈圭(广东技术师范学院机电学院，广东广州510635)摘要：分析叶片在非设计点的气动性能和功率控制方式，研究叶片在实际运行风速范围内的风能利用系数．建立不同优化模型，设定实度最小或能量输出最大为优化目标．运用数学规划和遗传优化算法，对叶片气动参数进行优化设计，得到了1．2MW风机叶片整体优化的设计结果。经对

2、比和仿真计算，可知整体优化后，叶片气动性能得到改善。关键词：风力发电：风机叶片：设计参数中图分类号：TM614文献标识码：A文章编号：1002—6673(2009)02—068—04根据风力机工作时叶轮的转速是否可调，可以将风0引言力机主要分成三类：①恒速风力机：风力机工作运行叶片各截面的气动数据根据Wilson理论设计出后，时，叶轮以恒定的转速工作。启动与停车属于过渡阶得到一系列叶型数据点。但这些数据是在额定风速条件段；②双速风力机：风力机叶轮有两种工作转速，根据下得到的优化值，当叶片工作在非额定风速状态，即叶风速的变

3、化，叶轮的转速可以在这两种转速之间相互切片工作在非设计点时，其气动参数将偏离设计点，改变换。其本质上仍属于恒速风力机；③变速风力机：风力风机的实际功率输出。因此，必须分析叶片非设计点气机工作时，根据实际风速和风力机的输出功率，叶轮的动性能和功率控制方式．研究叶片在实际运行风速范围转速可以在一定范围内连续调整变化。内的风能利用系数．建立优化模型，设定有关叶片整体根据风力机输出功率的控制方法．可以将风力机主性能的优化目标，采取不同优化算法，对提高叶轮的能要分成两类：一种是定桨距风力机：风力机叶片与轮毅量转换效率有重要意义。固

4、定连接。风速变化时，桨叶的桨距角不能随之改变。因而，定桨距风力机完全依靠叶片的气动特性控制功1叶片在非设计点的气动性能与功率控制率。当风速超过额定风速后，随着风速增加实际攻角增大，升力系数C近似线性增加；达到C后开始减小。1．1叶片在非设计点的运行特征同时，阻力系数C。先减后增，在升力开始减小时，C。随着风速的变化，叶片时常在非设计点运行，其气继续增大。这是由于气流在叶面上的分离区域随攻角的动性能与效率直接影响风电机的实际发电量。因此，在增大而增大，并形成涡流。与未分离时相比，上下翼面叶片设计中必须结合非设计点的运行特征

5、，研究叶片在压力差减小，使阻力激增，升力减少，气流失去翼型效非设计点的气动性能。应，造成叶片失速，从而限制了功率的增加。定桨距风(1)根据威尔逊理论，在对应于设计尖速比的力机利用桨叶的自动失速特性来限制风力机的功率输相对风速角工作时，风力机输出功率最大。但是当风力出，实现与发电机的功率匹配。另一种是变桨距风力机的实际尖速比偏离设计尖速比时，相对风速角必将随机：变桨距风力机叶片桨距角可以随风速的变化进行调尖速比的改变而发生改变，从而导致风力机叶轮的功整。因此，变桨距风力机的功率控制不完全依靠叶片的率、推力、驱动力矩偏离其最

6、佳设计值。气动性能，而主要根据风速的变化，相应地改变桨叶的(2)风力机非设计点气动性能计算与风力机的转速桨距角，使叶片能在不同风速下保持最佳攻角和最大升特征和控制特征相关，而转速与控制特征主要通过叶片阻比。提高风力机风能转化效率并保证风力机输出功率桨距角影响叶轮气动性能，分析如下：的平稳。根据桨距改变的方向，变桨距风力机又可分为收稿日期：2009—01—08主动失速型风力机与变距型风力机。向桨距角减小进行作者简介：屈圭(1957-)，男，副教授。主要研究方向为机桨距调整的风力机称为主动失速型风力机；向桨距角增电系统分析与

7、综合，风电、液压气动系统设计。大调整的风力机为变距型风力机。68·产品与市场·1_2叶片在非设计点的功率控制l段优化，使叶片在一定范围内适应风速变化，保持较大(1)调整叶片桨距角可以进行叶片功率控制。由叶l风能利用系数。为此，可以将叶片在设计点和非设计点素理论可知，来流角qb=arctan(V。／Qr)，当转速Q恒j工作的状况结合考虑，采用不同目标函数和优化算法，定，在叶轮半径r处，来流角随风速V。增大而增大，-对叶片气动参数进行整体优化。而叶片桨距角不变则攻角必然增大，使失速加深，因而I2．2按实度最小目标优化可以适当

8、地调整攻角，保证满意的功率输出。由于攻角I由前述所得各参数问函数关系知。在叶片设计中．与桨距角0的关系则是：=一0，桨距角增大则攻角：改变某些参数都会对其它参数产生影响。在叶素截面设减小，反之桨距角减小则攻角增大。因此可以通过改l计时，是以单位叶素达到最大风能利用系数为原则，来变叶片桨距角来改变攻角，这就是变桨距控制