水平轴风力机叶片函数化设计理论与方法研究

The ideal structure and the highest performances of the blade of horizontal axis wind turbine will be explored, and the design method based on function of actual blade will be researched in the project. First, the concept of the theoretical blade which efficiency is theoretically highest will be proposed, its mathematical model will be established, and the performance expressions of its power, torque, lift and thrust will be derived; Second, the function expression of actual blade will be established by practical transformation to the theoretical blade through considering the special requirements of structural strength and processing technology in the actual environment, and the performances of the actual blade will be calculated by analytic method. By those, the design method based on function of actual blade will be proposed, and the blade model will be designed by generating its function image. The theoretical blade mathematical models and a part of performance expressions have been obtained in preliminary research. It is expected that the project will establish an independent and complete technological system about the blade design method based on function. It uses analytical method as the main research methodology, the structure and performance of the theoretical blade as the theoretical basis, the actual blade mathematical model and its performances as the main research content, academic monograph and software module as the main outcomes. Since blade design method based on function is completely different from the existing methods in the world, the project is likely to create opportunities and provide the potential for China to reach the international leading level in the field of blade design because of its uniqueness, innovativeness, and system integrity.

主要探讨水平轴风力机叶片理论上的最理想结构和最高性能，并以此为基础研究实际叶片函数化设计方法。首先提出能产生最大功率的理论叶片的概念，建立它的数学模型，推导其功率、转矩、升力和推力性能表达式；其次，考虑结构强度和加工工艺等实际环境的特殊要求，对理论叶片进行实用化改造，以建立实际叶片的函数表达式，并计算其性能，提出实际叶片函数化设计方法，实现通过生成叶片函数图像的方式设计叶片模型。预研时已得到理论叶片的数学模型和部分性能表达式。预期本项目将建立关于叶片函数化设计的一个独立完整的技术理论体系，它以解析法作为主要研究方法，以理论叶片的结构和性能作为理论基础，以实际叶片的数学模型和性能计算作为重点研究内容，以学术专著和软件模块作为主要成果形式。由于所提出的叶片函数化设计法与世界上现有设计法完全不同，本项目因其独特性、创新性和系统完整性有可能为我国在叶片设计领域达到国际领先水平创造机遇并提供潜能。

项目组主要研究了风力机叶片函数化设计理论与函数化设计方法，这两部分内容共同构成了一个独立完整的技术理论体系。.函数化设计理论部分研究了能产生最大功率的理想叶片的结构和性能，包括理想叶片的数学模型与函数图像，以及理想风力机分别运行在理想流体和实际流体中的功率、转矩、升力和推力的一般性能、最高性能与极限性能的求解问题，获得了一系列解析计算公式，并由此建立了理想风力机理论。.函数化设计方法部分探讨了如何将理想叶片改造成实用叶片的问题，重点研究了翼型、弦长和扭角三个子函数及由它们构成的叶片函数的实用化改造，由此建立了实用叶片函数，通过设计示例阐述了叶片函数化设计方法和步骤，演示了用数学软件通过生成函数图像的方式迅速获得叶片的三维图形的函数化设计过程，还给出了计算实用风力机的功率、转矩、升力性能的软件代码。.使用叶片函数化设计法，改变设计只需调整函数的结构或调整常数的取值，而设计叶片立体图的繁杂手工劳动将由数学软件瞬间完成，这会显著提高叶片设计效率。此外风力机的功率、转矩和升力等性能不必事先生成图像或实体模型就可以用解析计算的方法迅速得到，远比实验测试和仿真计算的方法便利、快捷。