摘 要

风能作为一种近年来大力发展的清洁型能源。有希望在未来接替化石燃料能源使用，它不仅能够有效地减少对传统能源的依赖，使能源的使用多元化，而且能缓解由能源带来的环境损害。风力发电机组是目前良好利用风能进行发电的形式，其风轮叶片是捕获风能的关键部分，因此，叶片的气动性能直接影响了风力发电机的效率和经济效益。对于叶片的改良有了许多研究，其中添加后缘襟翼能有效改良叶片的气动性能，提高捕获风的能力，降低作用在风力发电机叶片上的载荷。

本论文只考虑了襟翼偏转角度而不考虑襟翼长度的条件下，设计了一种10兆瓦风力发电机后缘襟翼系统，通过专业所学习的风力机空气动力学知识设计了叶片和后缘襟翼的尺寸参数。并借助了Matlab、Solidworks、Fluent等软件对带有分离式后缘襟翼的叶片进行数据处理、建立模型和仿真模拟。结果表明与原叶片相比，后缘襟翼能改善叶片的气动性能，降低载荷，然后通过载荷分析设计驱动结构。

关键词：风力发电机叶片 后缘襟翼 气动性能 驱动结构

Design of trailing edge flap system for 10MW horizontal axis wind turbine

Abstract

Wind energy, as a kind of clean renewable energy that has been vigorously developed in recent years, is expected to replace the traditional fossil fuel energy in the future. It can reduce the dependence of tradition effectively, diversify the use of energy, and alleviate the environmental damage caused by energy. Wind turbine is a good use of wind energy for generating electric, and its turbine blade is a crucial part of wind resource capture. Therefore, the blade straightforwardly intervenes the genertating efficiency and economic. There have been many studies on blade improvement, among which the addition of trailing edge flaps can effectively improve the aerodynamic performance of blades, improve the ability to capture wind, and reduce the load on wind turbine blades.

This paper only considers the flap deflection Angle under the condition of without considering the length of the flap, designs a 10 mw wind turbine trailing edge flap system. The dimension parameters of turbines blade and trailing edge flap are designed through the knowledge of wind turbine aerodynamics learned in the university. And with the help of Matlab, Solidworks, Ansys, Fluent software and some others software, I did data processing, modeling and simulation on the blades with detachable trailing edge flaps. The results show that compared with the original blade trailing edge flap can improve the aerodynamic performance of blade, and reduce the load，Then the driving structure is designed through load analysis.

Key words: wind turbine blade; trailing edge flap; aerodynamic performance; driving structure

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 选题背景 1

1.2 课题研究的目的及意义 2

1.3 国内外研究现状 2

1.4 遇到的问题 3

1.5 今后发展 3

1.6 论文主要内容 3

第二章 风轮计算相关理论 5

2.1 升力系数、阻力系数 5

2.2 动量理论 5

2.3 叶素理论 7

2.4 叶素——动量理论 8

2.5 诱导因子的求值计算 9

第三章 风力发电机叶片设计 11

3.1 叶片设计 11

3.2 叶片气动力计算 15

第四章 叶片分析与襟翼设计 17

4.1 三维模型与网格建立 17

4.2 气动性能分析 19

4.3 后缘襟翼系统结构设计 21

4.4 襟翼设计 22

4.5 驱动结构设计 24

第五章 总结与展望 31

5.1 总结 31

5.2 展望 31

第六章 经济性分析 32

参考文献 33

致谢 36

绪论

选题背景

能源是促进社会技术发展的根本，是资本生产的主要动力来源。在今天，由于经济的持续增长，能源的消耗也随之增长，石油、煤炭、天然气和其他传统化石能源的消耗急骤增长，而这些化石能源都是不可再生的，使得能源消耗的压力加大。如果按照21世纪初全国石油开采规模，大概在2020年国内的石油资源将接近匮乏[1]，导致我国对石油的进口逐年增加。这种情况对我国能源安全埋下了安全隐患，如果进口能源供应中断、石油价格暴涨等将会制约我国的经济发展和社会进步。此外，化石燃料燃烧所带来的环境问题已经引起了广泛的关注，而国家的发展又离不开能源，因此能源安全的概念受到了广泛极大的重视。为了实现可持续发展，解决化石能源带来的环境问题，用新能源替代常规能源是一种可行的途径。由于太阳热辐射地球不均衡，导致气产生压力差，使空气流动，这样就形成了风。全球范围内风能资源极为丰富，在我国，大概20%的陆地面积分布着广泛的可利用风能资源[2]，在“三北”区域、青藏高原北部区域以及东南沿海等区域可利用风资源充足，且适宜风资源的大规模开发；我国海上风能资源也十分丰富，且不占用陆地资源，随着风力发电技术的成熟发展，海上风电场将成为重要的风能发电厂。目前，我国的风电产业发展迅速，风力发电机组总装机量和装机增长率居全世界首位。

风力机组主要由风轮叶片、机舱、塔架和基座构成。由于经济发展对能源的快速增长和大量的研究资金投入，以及风电行业自身良好发展推动风力发电成本逐步减小。目前，各大企业的产品主要是水平轴风力机，其技术相对垂直轴来说更成熟，功率也逐步提升。随着世界各国家对风力发电技术的大力研究和投入, 兆瓦级大功率风力发电机组成为了各大厂家的主要产品[3]。目前广泛使用的大型风机主要是2MW、3MW、4MW的机型，5MW、6MW的机型也正在投入使用，8MW 、10MW的机型正在研发中。随着风力发电机的单机功率不断提高，各项技术要求也越来越严格，风力发电机的尺寸越来越大，导致叶片也不断增大，叶片的优化设计是使风力发电机组发电而获得良好经济效益的基础。

课题研究的目的及意义

在风资源丰富的情况下，风力发电机的数量和单机容量决定了发电量的大小。但简单地安装大量的风力发电机，这样的方式会造成大量土地资源的浪费也增加了装机成本。因此，可以通过增大功率来提高发电规模。风机的设计趋于大功率化，与此同时也带了诸多问题，例如叶片的长度和重量增加，风轮和塔架承受的载荷增大等问题。叶片是捕捉风能的关键所在，受力情况复杂，所设计的翼型对风机整体气动性能有很大的影响[4]。改进叶片结构对提高风力发电机效率和使用寿命有良好的意义[5]。风力发电机叶片设计后缘襟翼结构可以在一定程度上提高风力发电机翼型的升力及升阻比，提高风力发电机风速较低时的捕风能力，从而提高风力发电机的发电效率[6]。后缘襟翼还能在一定范围内控制叶片上的局部负载，增加了风轮叶片及其他关键部位的工作年限，因此减少机组的发电成本和维修费用[7]。

国内外研究现状

在风电行业的发展过程中，对于风力发电机后缘襟翼系统，国内外有许多研究，也取得了诸多成效。目前正在研究阶段的主动减小风轮叶片载荷的技术中，后缘襟翼结构可通过改变叶片翼型来改变叶片的气动性能[8]。且具有反应速度灵敏、调节能力优越的特点，故后缘襟翼结构被认为是可行的主动降低负载部件[9]。世界各国的研究人员对带襟翼叶片的气动特性进行了深入的研究[10]，结果显示：叶片后缘添加襟翼结构在一定程度上能够改善叶片周围流场，以及调节压力分布，提高叶片的综合性能[11]。李仁年等添加襟翼的叶片进行了模拟仿真，分析了带襟翼和钝后缘改进叶片气动特性与原翼型相比都有一定程度上的提升[12-13]。张旭等研究了襟翼高度和衔接位置对叶片气动特性的作用[14]。利用分析了固定后缘襟翼，表明固定后缘襟翼可以提高升力，还能在一定程度上降低负载变动[15]。李传峰等分析了可变形后缘襟翼结构可以提高叶片的综合特性[16]。等研究了微型滑动襟翼能改良叶片在一定范围内增大叶片的升力 [17]。王荣等细化分析了利用桨叶后缘小翼对直升飞机轮毂振动负载以及旋翼动态失速的控制[18]。申振华等研究了被动喷气襟翼翼型，在不改变叶片的气动外形的情况下，能够明显提高叶片的气动特性[19]。和等研究了襟翼对大型风力发电机疲劳载荷的影响，得出了在叶片展向0.7R-0.9R处设置分离式后缘襟翼，可以使叶片挥舞力矩降低0.12-0.15 [20]。

遇到的问题

上述各襟翼结构在一定范围内可以降低叶片的极限载荷和载荷波动，但有不足之处。Gurney襟翼与叶片的连接强度不够；微型滑动襟翼生产成本过高；可变形尾缘襟翼精确控制偏转角度较难；对喷气襟翼的研究还不够清晰[21]；对于分离式尾缘襟翼来说，其研究仅限于一定的偏转角度及固定长度的襟翼下对叶片的气动性能进行分析。

今后发展

由于目前所选用的传统风力机叶片沿用了传统航空翼型，但随着风电技术不断地成熟，原有翼型不能很好地切合风力发电机所需运行环境的要求[22]。为此，国内外很多学者致力于新的翼型和翼型的提升措施，后缘襟翼系统能够很好地提高翼型的综合气动性能。因此在今后的风力发电行业中，为提高捕风能力和降低风力发电机成本，后缘襟翼值得进行大量的研究和应用[23]。

论文主要内容

本论文的主要的内容是设计一个具体尺寸的后缘襟翼及其驱动结构，将与原带有不同偏转角度的后缘襟翼结构的翼型与不带襟翼结构的原翼型比较其载荷变化。主要工作是设计的风力发电机叶片，然后运用Solidworks软件对其进行三维建模，并应用FLUENT软件对叶片翼型进行气动分析。然后在叶片上0.75-0.85位置处设计添加0.2弦长的分离式后缘襟翼结构[24]。如图1-1所示是在AUTOCAD软件中建立的二维分离式后缘襟翼示意图：

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