水平軸風力機葉片的逆向設計與分析

1引言
    風能作為一種無污染、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能的利用與發展。2006年全球風電總裝機容量達到7500萬千瓦，比2005年增加26%^[2]。
    風力機是將風能轉換為機械能的一種裝置，風力機葉片氣動外形決定風機的效率，因而風力機葉片氣動外形的優化設計在風力機設計和制造中占據了很重要的地位。傳統的水平軸風力機多采用正方向設計，設計過程是先設計并完善葉片的幾何外形結構直到滿足相應的氣動性能要求。雖然正向設計方法有很多優點，但正向設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，所需的轉子特性不能確定等^[3]。而逆向設計是先設定預期的氣動參數值，然后對相應的幾何外形變量進行迭代優化。使用逆向設計可克服正向設計的不足，還可縮短設計周期，提高設計水平。
    本文在介紹PROPID程序基礎上，利用PROPID程序的設計與分析能力，對NREL（National Renew-able Energy Laboratory美國國家可再生能源實驗室）原設計的一種20kW風機葉片進行優化設計，以期達到預期的氣動性能要求，并通過PROPID分析模塊繪制氣動參數曲線，求得葉片最佳幾何外形、轉速和安裝角等。
2 PROPID程序簡介
    PROPID^[4~6]程序是在性能預報程序PROP^[7]基礎上發展起來的用于對水平軸風力機葉片進行逆向設計和分析的一種方法。它可以通過迭代相應變量，實現預期的風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，用來修正二維風洞翼型數據，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的性能分析結果具有很好的精確性和準確性^[8]。
    PROPID分析模塊主要通過1D_SWEEP和2D_SWEEP命令實現。1D_SWEEP命令用來獲得沿葉片展向的氣動參數分布，如不同風速下葉片的升阻力系數（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風速（安裝角、轉速），功率系數vs尖速比等。
    PROPID設計模塊能夠通過自動迭代調整某個指定的變量，實現預期的輸出值。對于目標函數為單值情況（如：極值葉輪功率），通過執行NEWTl＿type命令實現；若目標函數為分布函數，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。