水平轴风力机叶片的逆向设计与分析

1引言
    风能作为一种无污染、可再生、高效清洁的替代能源，在近30年来发展尤为迅猛^[1]。随着煤、石油等非可再生能源的大量消耗，各国政府越来越重视风能的利用与发展。2006年全球风电总装机容量达到7500万千瓦，比2005年增加26%^[2]。
    风力机是将风能转换为机械能的一种装置，风力机叶片气动外形决定风机的效率，因而风力机叶片气动外形的优化设计在风力机设计和制造中占据了很重要的地位。传统的水平轴风力机多采用正方向设计，设计过程是先设计并完善叶片的几何外形结构直到满足相应的气动性能要求。虽然正向设计方法有很多优点，但正向设计要面临很多棘手的问题，比如确定所需的气动特性沿叶展的分布，所需的转子特性不能确定等^[3]。而逆向设计是先设定预期的气动参数值，然后对相应的几何外形变量进行迭代优化。使用逆向设计可克服正向设计的不足，还可缩短设计周期，提高设计水平。
    本文在介绍PROPID程序基础上，利用PROPID程序的设计与分析能力，对NREL（National Renew-able Energy Laboratory美国国家可再生能源实验室）原设计的一种20kW风机叶片进行优化设计，以期达到预期的气动性能要求，并通过PROPID分析模块绘制气动参数曲线，求得叶片最佳几何外形、转速和安装角等。
2 PROPID程序简介
    PROPID^[4~6]程序是在性能预报程序PROP^[7]基础上发展起来的用于对水平轴风力机叶片进行逆向设计和分析的一种方法。它可以通过迭代相应变量，实现预期的风力机叶轮性能和沿叶片展向的气动性能。PROPID耦合了Prandtl尖端损失模型和Corrigan Post-Stall模型，用来修正二维风洞翼型数据，如尖端损失、三维失速延迟模型等。在常速和变速叶轮操作中，PROPID的性能分析结果具有很好的精确性和准确性^[8]。
    PROPID分析模块主要通过1D_SWEEP和2D_SWEEP命令实现。1D_SWEEP命令用来获得沿叶片展向的气动参数分布，如不同风速下叶片的升阻力系数（C_l、C_d）等。2D_SWEEP命令用来获得整个叶轮的气动性能，如功率vs风速（安装角、转速），功率系数vs尖速比等。
    PROPID设计模块能够通过自动迭代调整某个指定的变量，实现预期的输出值。对于目标函数为单值情况（如：极值叶轮功率），通过执行NEWTl＿type命令实现；若目标函数为分布函数，则使用NEWT2_type命令。在PROPID中用来确定叶轮特性（NEWTl_type命令）可使用的迭代变量如表1所示。获得顺翼展方向叶片性能（NEWT2_type命令）可使用的迭代变量如表2所示。