摘 要

本文在介绍了水平轴风力发电机叶片气动设计、材料设计和结构设计的基础上，对10MW海上水平轴定桨距风力发电机的叶片外形进行了设计。首先是叶片基本参数的设定，包括翼型的选择、额定功率、叶尖速比和叶片数等。然后基于叶素-动量理论进行叶片的初步设计，包括弦长和扭角的计算。接着以翼型各截面的风能利用率为优化目标，周向诱导因子和轴向诱导因子作为优化参数，利用fmincon对叶片外形参数进行优化并做多项式拟合修整；最后对优化后的叶片进行SOLIDWORKS三维建模和ANSYS仿真分析，得到叶片的压力、速度分布、变形情况等。

关键词：风力发电机；定桨距；叶素-动量；叶片优化；仿真分析

Blade Profile Design of 10MW Offshore Horizontal Axis Wind Turbine

Abstract

Based on the introduction of aerodynamic design, material design and structural design of horizontal axis wind turbine blades, a blade design method is proposed for 10 MW offshore horizontal axis fixed pitch wind turbine. Firstly, the basic parameters of the blade are set, including the selection of airfoil, rated power, diameter of wind turbine, tip speed ratio, number of blades, etc. Then, the blade is designed based on the blade element-momentum theory, including the calculation of chord length and torsion angle. Then, with the wind energy utilization factorof each section of airfoil as the optimization objective, circumferential and axial inducing factors as the optimization parameters, the shape parameters of the blade are optimized by fmincon. Finally, the optimized blade is modeled by SOLIDWORKS and simulated by ANSYS, and the pressure, velocity distribution and deformation of the blade are obtained.

Key Words:wind turbine;fixed pitch;blade element-momentum theory;optimize design;

simulation analysis

目录

摘要I

AbstractII

第一章 引言1

1.1我国风能资源1

1.2 风力发电现状2

1.2.1 国外风力发电现状2

1.2.2 国内风力发电现状2

1.3 风力发电机发展现状3

1.4 风力发电机叶片研究现状4

1.4.1 叶片的气动设计4

1.4.2 叶片的结构设计4

1.4.3 叶片的材料设计6

1.5 论文研究内容6

第二章 水平轴风力发电机性能计算的相关理论8

2.1 翼型的气动特性8

2.1.1 作用在翼型上的气动力8

2.1.2 翼型截面的升阻力特性9

2.2 风力机基本理论10

2.2.1 动量理论10

2.2.2 叶素理论12

2.2.3 叶素-动量理论13

第三章 叶片设计15

3.1 翼型选择15

3.1.1翼型设计要求15

3.1.2 风力机叶片专用翼型15

3.1.3 翼型的选择与布置15

3.2 风力机性能参数选定16

3.2.1 切入风速、切出风速和额定风速16

3.2.2 风轮直径17

3.2.3 实度18

3.2.4 叶片数18

3.2.5 叶尖速比18

3.3 叶片初步设计19

3.3.1 弦长计算19

3.3.2 扭角计算20

3.4 叶片的优化设计21

3.4.1 优化模型的建立21

3.4.2 MATLAB优化流程22

3.4.3 弦长和扭角的修整24

3.5 叶片气动性能对比25

3.5.1 外型参数25

3.5.2 功率曲线26

第四章 叶片的建模与仿真分析27

4.1 叶片的三维建模27

4.1.1空间坐标转换27

4.1.2 SOLIDWORKS三维建模27

4.2 叶片的FLUENT分析28

4.2.1创建旋转域和静止域28

4.2.2 创建边界层 29

4.2.3 划分网格 29

4.2.4 仿真前处理29

4.2.5 FLUENT求解分析30

4.2.6 后处理30

第五章 成本估计33

5.1 成本组成33

5.2 成本计算 33

总结35

参考文献37

致谢39

第一章 引言

随着人类社会经济的发展，能源消耗量的增长速度越来越快，为了调整能源结构，促进社会可持续发展，各国加快了包括风能、生物质能、太阳能、氢能、核能等在内的新能源技术的开发，随着各项技术趋于成熟，如何提高能源利用率受到了越来越广泛的关注。

风能是人类可以直接从自然界获得的一次能源，是清洁的，最具活力的，可再生能源之一。早期的风能被用来助航、提水、灌溉、研磨谷物，直到19世纪末期，用于发电的风力机才正式出现。经历了长时间的发展，风力发电已经成为了当今新能源开发利用中技术最成熟、开发最具规模和最具商业化发展前景的发电方式[1]。

我国风资源储量大，分布广。近年来，我国在风电技术及其商业运行方面都取得了突破性的进展。

1.1 我国风能资源

我国地域辽阔，风能资源丰富，年有效风能密度约100W/m²，总储量达到了32.26亿千瓦，其中有将近三分之一的资源可进行开发利用：陆上2.53亿千瓦，海上7.5亿千瓦。我国海域50米高度处的风能资源量十分可观，可同时满足4亿千瓦的风力机装机要求。

我国风能资源的分布随地形、地理位置和气候背景的不同而相差巨大，总体呈现出北方优于南方，沿海优于内陆的特点。根据风资源类别划分标准，按年平均风速的大小，各地风力资源大体可划分为四个区域，见表1-1。

东南沿海及其附近岛屿是我国最大风能资源区，这些地区面临太平洋，地形呈弧形分布，相对于内陆地区，无高山阻挡；海洋表面平滑、摩擦阻力小；纬度低，热带气旋频繁。有效风能密度保持在300W/m²以上，全年中风速高于3m/s的时数约为7000～8000h，在6m/s以上的时数为4000h^[2]。乌鲁木齐、呼和浩特、甘肃走廊是我国第二大风能资源集中区，这些地区主要以平原、盆地和大漠戈壁为主，地势平缓，气候干燥，植被覆盖率低，空气摩擦阻力小且受中东亚大气环流影响，有效风能密度可达200～300W/m^2[3]。东北地区和青藏高原为风能较大区。这些地区平均风速较高且风速频率相对稳定,东部70m高度以上的年平均风速达到了7m/s以上，最大可达到8.3m/s；西部的年平均风速在6m/s左右，最大风速为7.2m/s。

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