兆瓦级风力机叶片外形设计及其三维建模开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文献综述

1.1研究背景及意义

目前，国际社会环境污染和全球气候变暖问题日益严重，石油，天然气等的不可再生资源价格虽有波动但依旧增加的趋势不会变，此外，人们对环境问题的关注度普遍增加，使得如风能，核能和太阳能等的可再生能源获得了空前的发展机遇和市场。

随着全球应对气候的变化呼声的日益高涨以及能源短缺问题日趋严峻。可再生能源以其清洁、安全、永续的特点，在各国能源战略中的地位不断提升。尤其从国家层面来讲，中国节能减排目标承诺：到2020年，中国非化石能源占一次能源比重将达到15%[1]。风能作为可再生能源中成本较低、技术较成熟、可靠性较高的能源，近年来发展迅速并且开始在能源供应中发挥其重要作用。

据中国气象科学研究院初步探明，中国可开发和利用的陆地上风能储量有2.53亿千瓦,近海可开发和利用的风能储量有7.5亿千瓦，共计约10亿千瓦[2]。截止2013年底，我过风电累计装机容量为91.4GW。2013年全国新增风电并网容量1449万千瓦，累计并网容量7716万千瓦。风电已成为继火电、水电之后排名第三的电源，占全国总装机容量的6%年发电量1349亿千瓦时，同比增长34%[3]。

叶片是风力发电机机上最基本也是最重要的部件之一，随着风力发电机行业的蓬勃发展，风力发电机也随之越来越大，据称v164维斯塔斯将成为世界上最大和最强大的风力涡轮发电机。高131米，直径177米，可以产生产生8兆瓦的电力。这台风力发电机将用于近海，它的每个叶片的翼展为80米，比波音747还长[4]。叶片的巨型化不可阻挡，为了增加叶片在运输、组装和维护以及提高风力发电机的叶片效率，就要对兆瓦级风力发电机的叶片外形和材质提出了更高的要求。

然而，国产风力机缺乏较好的叶片设计，往往会造成危险。兆瓦级风力机叶片的失效将会导致灾难性的后果，所以叶片要求有优秀的外形设计以及较高的风能利用效率，使之能在使用寿命内可以正常运行。

1.2国内外风力发电的现状

从上个世纪七十年代的石油危机以后，欧美等发达国家为摆脱国民经济对石油等化石燃料的依赖，开始投入大量的经费和精力，动员国内各大研究院，高校和能源企业利用计算机，空气动力学和材料科学等领域的先进技术，开始大力研制现代风电机组，使风电发展进入了高速发展时期，如图1、2[5]。各国同时推出各种风电优惠政策以促进风电产业的发展，在风力资源充足的地方建立以多台并网型风力发电机组按照地形和主风向排成阵列形式的发电场，开始大规模向电网供电。

图1全球风电新增装机容量1996-2013

图2全球风电累计装机容量1996-2013

然而，近年来以中国为主的发展中国家受石油的成本上升，国家的环境保护以及对新兴市场的开拓。我国政府将风力发电作为改善能源结构、应对气候变化和能源安全问题的主要替代能源技术之一，给予了有力的扶持。在2008年提前实现了10000MW的装机目标，在2020年达到30000MW的目标。风电新增装机容量越来越大。截止2013年，中国是16,088MW，德国是3,238MW，英国是1,883MW，印度是1,729MW，另外各国也各有较大幅度的增长[6]。

图32008-2013年中国风电新增及累计装机容量趋势图

除此之外，我国的风电制造业同样发展迅猛，如图3[7]。2005年之前，中国只有少数几家风电制造商，且规模小、技术落后，在激烈的市场竞争中风雨飘摇，风电场建设主要依赖技术进口。《可再生能源法》的颁布极大地调动了投资商的积极性，除了原来的金风科技、浙江运达加大投入、迅速扩张之外，上海电气、东方汽轮机、华锐风电（原大连重工集团）、中国船舶以及通用电气、维斯塔斯等一批国内外大型制造业和投资商纷纷进入中国风电制造业市场，还有一批中小型制造企业正在成长，依托良好的研发基础，表现出较强的发展实力，如南车、湘电集团等。在政策激励和市场拉动的双重作用下，风电装备制造和设计技术的转让加速，开始形成自主研发制造能力，兆瓦级的风机相继问世。风电机组市场占有率越来越高，如表1[8]。

表12013年中国新增风电装机排名

虽然我国的风力发电产业取得了快速的发展，但是技术水平还比较低。国内的风电市场多为国外厂商所占据。虽然已经研发成功生产出了兆瓦级的风力发电机，但多是和国外公司技术合作的结果，这些合资公司只能进行总装，不能掌握核心技术，成为外国厂商的代工厂。此外，国内风电研究起步晚，投入不足，缺乏制造大型风机叶片的技术基础和人才储备，致使中国在风电机设计方面薄弱。总体上看，我国风电设备制造业仍处于从技术引进和消化吸收转向自主创新的初期阶段。

1.3风力机叶片设计研究现状

发电机的重要性能指标风能利用系数。而风轮的关键是叶片，叶片的形状及其气动性能的好坏将直接影响到风力发电机转换风能的效率，因此，随着风力发电技术的发展，叶片设计技术也有了很大的发展，如水平式分为上风型和下风型，叶片个数也有1,、2或3个，目前常用的是3个叶片。本部分主要从风力机叶片翼型、设计方法、外形尺寸、材料和建模五个方面的来介绍风力机叶片设计发展的研究现状。

1.3.1风力机叶片翼型

风力机叶片是风力机组最为重要的部件之一，其外形直接影响着风电机的性能。在叶片设计过程中，叶片的气动外形设计尤为重要，它直接决定了风电机的发电效率。鉴于国外有过多年的发展，在叶片翼型设计理论和实践方面都有很高的水平。产生了许多风力机专用翼型，如美国国家可再生能源实验室S系列翼型、丹麦的RISФA翼型系列和瑞典的FFA-W翼型系列[9]。

自从上世纪八十年代起，美国国家可再生能源实验室的Tangle和Somers等人针对失速型，变桨距和变速风力机叶片陆续开发了9组约35中NERLS系列的翼型。覆盖了各种大小和兆瓦的风电机，对风能的利用效率有了较大的改善。

丹麦的RIS国家实验室设计了RISФ翼型系列，包括了7中翼型，主要设计方法是利用了CFD技术和数值优化理论，并在VELUX风洞中开展了实验验证[10]，其几何特征是具有较尖锐的前缘，能翼型在接近失速时有最大的升阻比，此外RISФ翼型系列对前缘粗糙度有不敏感性[11]。

瑞典航空研究所研制了FFA-W翼型系列，包括了FFA-W1、FFA-W2和FFA-W3三个系列共15种翼型。该系列翼型的优点是在设计工况下具有较高的升力系数和升阻比，并且在非设计工况下具有良好的失速性能，目前世界上最大的风力机叶片生产商丹麦LM公司就在大型风力机上使用了FFA翼型。两种风力机专用翼型和传统翼型在前缘粗糙情况下的气动性能对比可以发现，专用翼型具有高升力和低阻力的明显优势，因此可以捕获更多的风能

1.3.2风力机叶片设计方法

关于风力机叶片设计，根据不同的设计理论产生了许多的设计方法[12-15]。目前主要设计理论有：简化设计理论、Wislon理论、Schmitz理论和Glauert理论。其中简化设计理论是基于圆盘理论，原理及模型最简单，但因简化因素较多，故设计精度相对较差。而其他三个理论都是基于涡流理论的设计模型，与简化设计理论相比，设计精度更高，因此，大型风力机大多采用基于涡流理论的设计模型。但这些理论中有其局限性的一面，如：Glauert理论忽略了叶片翼型阻力和叶尖损失的影响，而Wilson理论对其进行了改进将各种影响考虑全面，因而该理论广泛应用于叶片气动性能的设计计算。目前，许多理论有了新的发展，PeymanKhostavi对复合材料结构作了非线性有限元分析，他使用的平面结构单元结合了Kirchhoff-Mindlin三角弯曲单元和优化的层间设计单元[12]。在我国，近年来也有一部分科研人员针对叶片设计方法加以改进。如2004全国第一届风能技术应用年会论文集中张维智等采用修改后的Wislon方法对风力机叶片进行优化设计，考虑了叶轮对风施加的反作用力[13]。2007，王军等结合Wilson设计方法采用MATLAB语言编程，开发出了对小型风力机叶片的气动设计优化程序[14]。可见，随着各方研究人员的努力，我国的叶片设计理论有了长足的进步。

1.3.3风力机外形尺寸

对于风力机叶片外形尺寸等参数而言，随着风力机单机容量地逐渐增大，风轮尺寸必然也越来越大。上世纪九十年代以前，世界上装机使用最多的风力机组单机容量在200kw叶片长11m以下小型风力机，直至1996年，300kw（叶片长15m左右）开始成为主流机型，1999年600kw叶片长20m左右机组成为重要机型，而1999年以后，单机容量在1MW或1MW（叶片长25～50m）以上的机型进入风电市场。进入二十一世纪以后，兆瓦级机型在风机市场占绝对主导地位。我国目前主要是1.2MW、1.5MW机型为主，但国外已有更大的风电机。随着风力机单机容量增大，叶片长度也相应增长。

1.3.4风力机材料选用

叶片设计所选用的材料，随着叶片的尺寸变化以及材料技术本身的发展，由最初的木质、帆布等逐步过渡到金属、玻璃纤维增强复合材料，碳纤维增强复合材料等，其中新型玻璃钢因为重量轻、等比强度高、可设计性强等因素，开始成为主流的大中型风机叶片的材料。叶片材料的开发，主要朝高性能和轻量化的方向发展，一般小型风力机的叶片选用E-玻纤增强塑料（GFRP）树脂基体以不饱和的聚酯为主，也可选用乙烯酯或环氧树脂。然而，随着风力机叶片朝着超大型化和轻量化的方向发展，玻璃钢复合材料达到了其使用性能的极限，碳纤维复合材料（GFRP）逐渐应用到超大型叶片上，如长度42M以上叶片一般采用GFRP或CF与GF混杂复合材料，树脂基体以环氧树脂为主[15]。

1.3.5风力机叶片三维建模

对于风力机叶片三维建模，早期我国有学者采用线框方法建立叶片的三维模型，如文献[16]，1997年杨自栋和杜白石的风力机叶片三维线框图显示，随着计算机技术的飞速发展，三维造型软件功能更加强大，现在学者都能够使用三维造型软件建立复杂叶片的三维实体模型，如陈家权等采用SolidWorks绘制叶片的立体图[17]；韩晓亮等采用Pro/E对叶片进行三维造型设[18-19]；孙永泰、任腊春借助于UG和GAMBIT实体化处理能力对风力机叶片参数化建模[20]。总之，建立的叶片模型更加完美，拥有更高的性能，为后面的分析、改进和加工打下了基础。

1.4本文研究内容

叶片是风力发电机的重要部件之一。它关乎着风电机的效率。本文对兆瓦级水平轴风力机叶片设计进行了研究，主要工作：

一、首先了解课题的研究背景，对风力机叶片进行深入的理论研究，通过计算建立水平轴风力机气动性能的计算模型。

二、采用Wilson理论对气动模型进行修正和优化，结合优化得出的叶片集合外形参数。

三、使用Solidworks建立3D模型，并对全部工作进行总结和展望，总结工作的成果以及不足之处，展望兆瓦级大型风力机叶片设计未来研究和发展方向。

[1]中华人民共和国国务院新闻办公室.中国的能源政策(2012)[B/OL].http://www.gov.cn/zwgk/2012-10/24/content_2250617.htm,2012-10.

[2]风资源[B/OL].http://baike.baidu.com/link?url=M6loBX1V_Qvmjzl0Y-xxTl2Bc-3I2jPtQ

HvEjtGOpT2yNYc9fd_r4Bng5NMXywyYLQRJ3jkBogXuSK0XGXINEq

[3]2014年风电行业研究报告[B/OL].http://wenku.baidu.com/link?url=CXMB0c_bTkoky2

34cwjk7OuK79qTfnj3v14HgJQfYsvC1u67bzjqcy4IY_sVFNnS9BwN7C1lRt6vyg3ZVN2iPIduzQgt761EU-x0UkZ6RF7,2014-3.

[4]世界上最大的风力发电机[B/OL].http://www.souid.com/archives/1329.html,2012.

[5][6][7]李俊峰，蔡丰波，乔黎明等.2014年中国风电发展报告.

[8]2014年中国风电整机企业新增装机排名[B/OL].http://news.Bjx.com.cn/html/20150131/586704

[9]TanglerJL,SomersDM.NRELairfoilfamiliesforHAWTs[R].USA：NREL/TP-442-7109,1995.

[10]Fuglsang,ChristianBak.DevelopmentoftherisΦwindturbineairfoils[J].WindEnerg,2004,7:145-162.

[11]PeterFuglsang，KristianSDahl.DesignoftheNewRisΦ-A1AirfoilFamilyforWindTurbines[J].1999EuroPeanWindEnergyConferenee.Nice，France.1999:134-137.

[12]Reaz,A.Chaudhuri.Anolinearzigzagtheoryforfuniteelementanalysisofhighlyshear-deformablelaminatedanisotropicshells[J].CompositeStructures,2008,(85):250-359

[13]张维智，李方洲.采用修改的Wilson方法对风力机叶片进行优化设计[J].全国第一届风能技术应用年会会议论文集,2004:20-27.

[14]王军，周丙超.基于MATLAB的小型风力机叶片设计[J].水电能源科学.2007，25(5):142-144.

[15]盖晓玲，田德，王海宽等.风力发电机叶片技术的发展概况与趋势[J].农村牧区机械化.2006(4):53-56.

[16]杨自栋，杜白石.风力机叶片三维线框图的设计与显示[J].西北农业大学学报.1997，25(6):69-73.

[17]韩晓亮，汪建文，高志鹰等.水平轴风力机叶片设计与三维造型[J].全国第18届计算机技术与应用学术会议(CACIS)，2007:980-984.

[18]孙永泰.风力机叶片外形参数建模[J].玻璃钢.2007(2):2-9.

[19]任腊春,张礼达.基于UG的风力机叶片参数化建模方法研究[J].机械设计与制造.2008(5):58-59.

[20]闫海津,胡丹梅.风力机叶片的三维建模[J].能源技术.2009，30(2):89-95.

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

迄今为止，国外的相关研究主要集中在叶片结构设计的过程中的数值分析方法，

如采用遗传算法、数值算法等迭代算法。通过迭代的过程来逐渐取得最优化设计，然而系统的对风电机叶片结构设计方法的研究成果却不多，而对于叶片设计中遇到的结构载荷、设计准则和设计方法等众多问题缺少研究成果。

本文将着重于叶片结构设计方法的研究，主要通过新发展的理论来设计和优化叶片以提高风电机的整体性能。在通过对叶片整体的设计的过程中，逐步建立起叶片设计的方法以及其必要准则和叶片从无到有的过程，推动叶片外形设计的发展。