一、研究背景及意义

随着中国经济的快速增长，对能源的需求量也在不断增加，目前的能源主要为化石燃料。但化石燃料属于不可再生资源，中国煤炭预测资源量仅剩3.88万亿吨^[1]。化石燃料燃烧时产生的二氧化碳不仅使全球气候变暖，而且造成全球大气环流的变化和气候带向极地的扩展。中国正加快能源结构的转变，积极开采和利用新能源，如风能、太阳能、水能、核能等。

风能是新能源中优势最大的清洁能源^[2][3]。第一，风能总量丰富，全球可利用的风能总量比地球上可开发利用的水能总量还要大十倍以上^[4][5]，中国风能实际可开发量保守估计为,相当于我国总发电装机容量。风力发电作为电力行业的新力军，具有强大的潜力和生命力^[6]。第二，风力发电机占地面积较小，不受地形限制，可在陆地、沿海及海上等多场所建设风力发电场；第三，风力发电机建造周期短，成本低。一台风力发电机的安装时间不超过3个月而且安装一台就可以投入运行一台，装机规模灵活，一台2MW风力发电机造价1000万左右，可大规模开发利用。因此风力发电得到了世界各国的重视，经过近些年的发展，风力发电技术已日益成熟目前已拥有1MW,1.5MW,2MW,3MW等多种机型。

风力发电机是由叶片、转子和定子等部件构成的轴流式风力机，安装在塔筒上，风轮叶片在风的作用下产生空气动力使风轮旋转而发电^[6-8]。其中叶片是水平轴风力发电机的关键部件，其可靠性和寿命决定了风电机组的效率、稳定性和实用性，由贝茨极限知，最大风能利用系数为0.593，但目前普通叶片的最大风能利用系数仅达到0.4左右^[9]，所以叶片的优化设计是风力发电机设计制造中的重要工作内容,通过对叶片的优化设计可以捕获更多的风能。

二、国内外研究现状

经过近些年的发展，国内外风力发电技术在叶型设计、气动弹性实验、结构设计、动态特性分析等各方面都取得了重大进步^[10]~[14]。波兰学者JURECZKO等^[16]从叶片的结构和材料出发，通过改变叶片的结构参数和材料属性研究风力机叶片固有频率的变化趋势，进而对叶片的动力学性能进行优化分析。土耳其学者VAROLA等^[15]提出在叶片周围安装转向风板以提高叶片转动速度，进而提高风力发电机机的输出功率。汕头大学的刘雄等^[17] 考虑了风场风速的概率分布，以风力机年能量输出最大为设计目标，使用遗传算法进行搜索寻优，利用开发的优化设计程序，设计了1.3 MW风力机的叶片。

风力发电机优化设计理论主要有动力理论、叶素理论、叶素-动量理论等。动量理论主要考虑风力机轴向的动量变化，它主要用来描述作用在风轮上的力与来流速度之间的关系，并估算风力机的理想出功、效率和流速；叶素理论是将风轮叶片沿展向分成许多微段，用于风力机气动设计和性能预估；叶素-动量理论综合了叶素理论和动力理论，可计算风轮旋转面中的轴向诱导因子a和周向诱导因子b^[18]~[23]。基于这些理论，开展了大量的叶片外形设计研究，如KIM等利用叶素-动量理论和参数分布经验模型进行了3MW风力机叶片设计，然后采用CFD方法对设计结果进行了验证；考虑风速概率分布，以最大年能量输出为目标，ERNST等运用布谷鸟收缩算法;刘雄等采用遗传算法进行了叶片优化研究；陈进等以风力机单位输出能量成本最低为目标进行了叶片形状优化设计^[24]。

风力发电机叶片的外形设计方法主要有基于圆盘理论建立的简化设计模型，基于叶素动量理论的Glauert设计模型和Wilson设计模型等。目前国内外最常用的是Glauert方法和Wilson方法。但Glauert^[25] 提出的风轮优化设计关系式，忽略了叶片翼型阻力和叶尖损失对叶片气动性能的影响。由 Wortman、Jansen 与 Smulders^［26］、Stewart^［27］、Griffiths^［28］、Nathan^［29］与Jones^［30］提出的方法，都是根据Glauert理论作为风轮应用而发展的叶素理论或片条理论，针对某一方面对Glauert方法进一步完善。Wilson等^［31］发表的水平轴风力机风轮优化设计方法中，通过对比在速度诱导因子取不同假设值下获得的叶素功率系数，用迭代方法使某一径向位置的叶素功率系数取最大值^[32]。

风力发电机组性能优劣的关键是风机叶片材料的强度和刚度。目前,风机叶片所用材料已由木质、帆布等发展为金属、玻璃钢、碳纤维复合材料等,其中新型玻璃钢叶片材料因为其重量轻、比强度高、可设计性强、价格便宜等因素,开始成为大中型风机叶片材料的主流^[33]~[36]。然而,随着风机叶片朝着超大型化和轻量化的方向发展,玻璃钢复合材料也开始达到了其使用性能的极限,碳纤维复合材料逐渐应用到超大型风机叶片中。为了提高复合材料叶片的承载能力、耐腐蚀和耐冲刷等性能,对树脂基体系统进行了精心的设计和改进，例如采用性能优异的专用风能环氧树脂代替不饱和聚酯树脂,改善玻璃纤维和树脂界面的粘结性能,提高叶片的承载能力,扩大玻璃纤维在大型叶片中的应用范围;同时,为了提高复合材料叶片在恶劣工作环境中长期使用性能,还开发了耐紫外线辐射的新型环氧树脂系统^[37]~[41]。目前国外风机叶片大量采用复合材料制造,并向大型化、低成本、高性能、轻量化、多翼型、柔性化方向发展^[42]~[45]。

Wilson方法虽然考虑了阻力及叶尖损失效应，但是结果是由不断尝试得出的，因而需多次迭代求解，十分复杂。而且Wilson设计方法未考虑厚度等重要翼型参数的分布，更没有考虑翼型相对厚度对桨距角变化的影响，设计结果需要较大的修正^[32]。本研究将以Wilson设计方法为基础，使用MatLab软件对翼型进行优化，并简化算法。