水平軸風(fēng)力機葉片的逆向設(shè)計與分析

1引言
    風(fēng)能作為一種無污染、可再生、高效清潔的替代能源，在近30年來發(fā)展尤為迅猛^[1]。隨著煤、石油等非可再生能源的大量消耗，各國政府越來越重視風(fēng)能的利用與發(fā)展。2006年全球風(fēng)電總裝機容量達(dá)到7500萬千瓦，比2005年增加26%^[2]。
    風(fēng)力機是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能的一種裝置，風(fēng)力機葉片氣動外形決定風(fēng)機的效率，因而風(fēng)力機葉片氣動外形的優(yōu)化設(shè)計在風(fēng)力機設(shè)計和制造中占據(jù)了很重要的地位。傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)力機多采用正方向設(shè)計，設(shè)計過程是先設(shè)計并完善葉片的幾何外形結(jié)構(gòu)直到滿足相應(yīng)的氣動性能要求。雖然正向設(shè)計方法有很多優(yōu)點，但正向設(shè)計要面臨很多棘手的問題，比如確定所需的氣動特性沿葉展的分布，所需的轉(zhuǎn)子特性不能確定等^[3]。而逆向設(shè)計是先設(shè)定預(yù)期的氣動參數(shù)值，然后對相應(yīng)的幾何外形變量進(jìn)行迭代優(yōu)化。使用逆向設(shè)計可克服正向設(shè)計的不足，還可縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計水平。
    本文在介紹PROPID程序基礎(chǔ)上，利用PROPID程序的設(shè)計與分析能力，對NREL（National Renew-able Energy Laboratory美國國家可再生能源實驗室）原設(shè)計的一種20kW風(fēng)機葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以期達(dá)到預(yù)期的氣動性能要求，并通過PROPID分析模塊繪制氣動參數(shù)曲線，求得葉片最佳幾何外形、轉(zhuǎn)速和安裝角等。
2 PROPID程序簡介
    PROPID^[4~6]程序是在性能預(yù)報程序PROP^[7]基礎(chǔ)上發(fā)展起來的用于對水平軸風(fēng)力機葉片進(jìn)行逆向設(shè)計和分析的一種方法。它可以通過迭代相應(yīng)變量，實現(xiàn)預(yù)期的風(fēng)力機葉輪性能和沿葉片展向的氣動性能。PROPID耦合了Prandtl尖端損失模型和Corrigan Post-Stall模型，用來修正二維風(fēng)洞翼型數(shù)據(jù)，如尖端損失、三維失速延遲模型等。在常速和變速葉輪操作中，PROPID的性能分析結(jié)果具有很好的精確性和準(zhǔn)確性^[8]。
    PROPID分析模塊主要通過1D_SWEEP和2D_SWEEP命令實現(xiàn)。1D_SWEEP命令用來獲得沿葉片展向的氣動參數(shù)分布，如不同風(fēng)速下葉片的升阻力系數(shù)（C_l、C_d）等。2D_SWEEP命令用來獲得整個葉輪的氣動性能，如功率vs風(fēng)速（安裝角、轉(zhuǎn)速），功率系數(shù)vs尖速比等。
    PROPID設(shè)計模塊能夠通過自動迭代調(diào)整某個指定的變量，實現(xiàn)預(yù)期的輸出值。對于目標(biāo)函數(shù)為單值情況（如：極值葉輪功率），通過執(zhí)行NEWTl＿type命令實現(xiàn)；若目標(biāo)函數(shù)為分布函數(shù)，則使用NEWT2_type命令。在PROPID中用來確定葉輪特性（NEWTl_type命令）可使用的迭代變量如表1所示。獲得順翼展方向葉片性能（NEWT2_type命令）可使用的迭代變量如表2所示。