风力机气动与结构CAD软件

　　风力机气动与结构，税软件刘雄，陈严，马昊1叶枝全汕头大学能源科学研宄所，汕头5150fflmln！。该软件实现了对翼型气动数据和截面坐标数据的数据库管理。采用片条理论。考虑到角度干扰系数。实度风剪偏航等因素对风力机气动性能的影响，对风力机气动性能进行计算，并在此基础上发展了水平轴风力机桨叶气动外形的总体优化设计方法。

　　0引言风能作为种清洁的可再生新能源，随着社会爪1铪；999年10月的统计，截至1999年10月，全世界风力发电装机容量己达到177.9万1以，中，达24.6万说中国是风能资源丰富的家之，全国开发利的1从能资源为2.53亿具备大规模发展风电的资源条件。中国政府非常重视新能源的发展，国家电力总公司已将发展风乃发电作为电力工业发城计之。

　　风力机风轮气动外形设计与忭能分析是风力机不可少的手段。在风力机设计和计算软件方面，目前国内还非常缺乏，并网型大型风力机的自主开发能力还较弱。全国各个风电场大部分采用国外进口风力机。国内的桨叶生产厂家对桨叶的设计也缺乏，人0软件，风力机桨叶的制造术还停留在模仿阶段，针对国家九科技攻关项风力机气动与结构设计软件采用面向对象的方法基32平台集成了套风力机气动与结构1软件81环垃作为开发工具，开发软件的各个模块，1软件结构1.1软件的模块组成化设汁以及气动性能汁算3个基木模块组成，翼型数据库实现翼型坐标数据和气动数据的竹现。为性能计算和优化设计提供必需的桨叶截面翼型数据。

　　气动性能计算模块根据给定的风力机整体参数以及截面翼型参数，计算桨叶各截面风轮整体受力和气动性能以及塔架受力情况。气动与结构优化设计模块根据所要求的气动性能，设计出结构合理，风能利用效率高的桨叶。优化设计需要气动计算提供基础，因为在优化过程中，每组桨叶外形数据都需要气动计算模块计算其气动性能。

　　①收稿日期200039基金项目国家自然科学基金59976出0和广东省自然科学基金气动计叶片设计维造型显气动结构优化1.2程序的基本流程软件所要实现的主要功能是进行风力机桨叶的优化设计，并在设计完成之后对设计结果进行评价。

　　程序的主流程2.

　　1.3软件的功能结构能工程文件，打印桨叶设汁功能桨叶造型新建程01柬时1方法按尖速打印维渲染打印盍览打印设置叶各截面采用的翼型系列也常常不局限于种。截面翼型的变化导致了各个截面气动数据的，从而给设计和计算带来困难，主要现在以下两个方面以往的翼型气动数据以文件的形式提供，非常不灵活。在设计或计算中，截面数量的变化或者翼型甩号的变化都会导致数据文件的大文史，手动更改翼型数据文件，操作极不方便。

　　每个翼型系列中，翼型手册通常只提供少数几种标准厚度翼型的气动数据。而这截面的翼型通常不圮标准度。所以浦要采用插值的方法得到气动数据如果以文件的方法提供气动数据进行插值很不方便，而且不灵活。

　　因为气动数据对于设计和计算都非常关键，这样做为解决上述问，软件将谭增数据采数据库口自动提取翼型数据，对于非标准翼型，自动进行数据插值。本文所建立的翼型数据库支持流行的10系列翼甩和扑，识系列谭增，并具有以好的可扩充性，支持各种翼型的添加。

　　翼型数，由贺型索引穿心翼型坐标数据和翼型气动数据构成，数据库的结构采用河痄。

　　换名保。维月格由按安装打开工稃保存工程nu优化设计按方按弦长性能影响因素功能气动性能计算功能和气动性能分析功能等。

　　软件功能结构的分布3.

　　2模块介绍翼型数据库现代风力机使用的桨叶，翼型沿桨叶展向是变化的，通常根部截面翼型较厚，而尖端翼型较薄，桨气动性能评价结构外形评价气动性能计算是风力机设计和校核中重要的环。设计出桨叶的气动外形之后，计算其气动性能，可以作为对设计结果的评价；反之，气动性能计算结果可以作为反馈，为修正桨叶动外形提供数据风力机桨叶强度刚度以及稳定性的校核，也有赖于气动计算结果。风力机在实际运行时受很多因素影响，如偏航塔影等方面的影响。因而有必要在考虑这些因素的基础上，依据定的计算模型，计算设计奖叶的全工况气动性能。

　　软件远用片条理论3计算风力机气动性能。在，和1的桨叶理论和动量理论的基础上，考虑角度干扰系数实度风剪偏航等因素对风力机气动性能的影响，并考虑了影响风力机气动性能的各种损失，软件的计律模块能够输1以下数椐桨叶各截面的速度诱导因子来流角攻角叶尖损失相对风速受力扭矩等；风轮受力力矩扭矩功率功率系数等；塔架受力力矩等。

　　运用软件对多种风力机进行了性能计算，结果60，风力机功率功率系数的实际曲线与理论计算曲线的比较，计算的最大误差为8，在额定2.3气动与结构优化设计软件提供种优化设计方法0131方法斯1方法和总体优化设计方法。

　　方法它们的模型纽在圆盘理论和叶素理论之上，以设计风违处每个截面得到最人的功率系数为设计目标。，时方法和斯180方法由于没有考虑各设计截面之间的参数约束以及风场的整体风况，所以设计的桨叶存在以下缺点在接近桨叶根部安装角和弦长都很大，桨叶扭曲厉害，不符合加工要求，需要较大的人为修正。

　　设计的桨叶不定能满足性能要求，需要反，试验。

　　传统的桨叶优化设计方法在早期的风力机设计中，得到了广泛的应用，设计出来的桨叶在设计点附近能获得较大的功率系数。但是这种设计方法由于忽略了风场风况桨叶各截面之间的约束等重要问风况也不是最优的。鉴于传统方法以往应用的广泛性，这里也将0出方法和斯18，方法作为参考方法提供选择和比较针对传统设计方法的不足，本文基于片条理论计算风力机气动性能，以桨叶各截面弦长和扭角为设计变量，综合考虑了桨叶截面翼型气动特性桨叶截面之间的约束和风速的年分布情况以风力机化方法软件中使用复合形法4作为优化搜索方法。经设计实例验证，该方法具有较大的优越性。

　　应用软件的总体优化方法设讣6001况风力机桨叶，设计风力机的整体参数参照，600娜选取。设计风力机的桨叶截面翼型参数参照1600既风力机的9桨叶进行选，设风况参考南澳风电场风速的分布曲线山诎形状参数澳风电场的风速分布曲线，从中可以看出风速主要分布在318到15，之间。7和8为设计奖叶的截面弦长和扭角数据与通19数据的对比良好，获得了满意的截面弦长和扭角分布。

　　力机的性能对比曲线。从中可以看出设计风力机与商业产品的性能吻合较好，因为设计针对南澳风电场风速分布曲线，风速5，到1518之间的部说明设计模型的正确性和设计结果的可行性。在高尖速比区即低风速区，设计风力机的功率系数低于NM600kWMjJL.ijiujNM6OkW4jtiLWfftiitt能优于设计风力机。这是因为本文设计的风力机是针对年均风速为如的南澳风电场的风能丰富区。若考虑本机在平均风速低的风电场使用，为获得更好的低速性能。可以付设汁结作细微调整。

　　3结论翼型数据的管理该数据库及其接口解决了气动计算和结构设计中翼型数据难于维护的问，并且实现了非标准翼型的插值计戴充分扩展了在设计及计算中翼型选择的灵活性，节约了大量以往用于准备翼型数据的时间。

　　气动性能计算。所采用的计算模型由于充分考虑了风力机实际运转中的各种干扰因素，并对它分再，厌1珠蓖鲤7，呢胗1跑辨砸也，及好的数掌锢叫，性能时显出较高的准确性。该模型可以用来估算桨叶的各种空气动力学性能，并且可以为风力机的校核以及风力机的总体优化设计提供数据基础桨叶总体优化设计。所发展的风力机桨叶总体优化设计方法根据力机性能要求。和风场的风速分布函数，以年能量输出最大为目标，自动搜索得到符合性能要求的桨叶结构，设计的桨叶结构合理，便，加工。较少人为修，经过实际计算和设计的对比验证，该软件具有较高的商业实性。