随着化石燃料储量的减少,人们对于能源危机的恐慌越发严重,风能作为一种清洁的可再生能源,也随之受到世界各国的关注与重视。风轮叶片作为风力发电机中最核心的部件,不光其成本占到整机价值的20%左右,其性能的好坏也直接影响风力发电机对风能的转化效率。如何准确分析风轮叶片的性能并设计出新型高效的风轮叶片,具有非常重要的理论意义和工业应用价值。在国家自然科学基金项目“基于参数化的风力机叶片气动性能与结构一体化设计理论”(项目编号:51175526)和国家高技术研究发展计划(863计划)“先进风力机翼型族设计技术研究”(项目编号:2012AA051301)的资助下,本人提出了“基于翼型库的风力机叶片气动外形与结构一体化设计理论研究”的研究课题。在分析国内外风力机翼型设计方法的基础上,提出了将翼型集成理论与样条曲线结合的翼型表达方法,并在翼型的设计中考虑翼型型线对翼型气动和结构性能的影响,设计出气动性能优越,结构性能优良的翼型;深入研究气动弹性对叶片捕风性能的影响,并通过试验进行了验证;在此基础上,充分考虑叶片设计过程中,翼型、叶片气动外形和叶片结构之间的相互关系,提出了基于翼型库的风力机叶片气动外形与结构的一体化设计方法。论文完成的主要研究工作和取得的研究成果主要有:①在风力机翼型的研究过程中,提出了将西奥道生理论与B样条曲线结合的翼型型线表达方法,引入了翼型结构参数的概念,在此基础上,提出了风力机专用翼型气动结构一体化设计方法。新方法以风力机翼型气动性能和结构性能同时最优为目标,运用改进的遗传算法对翼型型线进行优化设计,优化得到不同相对厚度且气动结构综合性能优良的CQU-L型风力机专用翼型族群,形成原始翼型库;②以风力机空气动力学为基础,引入叶片受到气动载荷时产生的扭转变形量,建立了考虑气动弹性的风力机空气动力学模型,提出了将叶片受到的气动载荷解耦成压力函数,加载到叶片有限元模型上求解变形的流固耦合分析新方法。运用该方法,在多种风速工况下对风力机叶片进行了性能分析计算。结果表明:对于大功率的风力机,风轮受到的载荷随风速的增加而变大,相应地,叶片弹性变形也随之变大,叶片的气动外形发生明显的改变,从而影响风轮的实际性能。气动弹性对最大功率利用系数影响不大,但对处于大风速大载荷条件下的风轮性能产生明显的负面影响,降低了风轮对风能的吸收。③根据现有叶片气动外形设计方法,设计出1k W风力机叶片外形,采用FRP成型技术完成1kW复合材料风力机叶片的加工制造,并完成风轮的组装;根据GB/T18451.2-2012标准,搭建试验测试平台,利用汽车载体,对1k W风力机进行车载捕风性能测试,并将测试结果进行分析整理,与理论分析结果进行对比,从而验证“考虑气动弹性的风力机叶片分析方法”的正确性。④在复合材料风力机叶片强度失效分析理论的基础上,结合风力机叶片流固耦合分析方法,以额定风速下风力机功率最优为目标,以叶片弦长、扭角为设计变量,建立了考虑气动弹性的风力机叶片设计及优化数学模型,运用遗传算法对某850k W风力机叶片进行优化设计,优化结果表明,相比参考叶片,优化后的叶片在叶片质量减小的前提下,风力机的输出功率得到提高,最高达23kW。该方法为设计出高性能轻质量低成本的风力机提供了理论依据。⑤基于翼型、叶片弦长及扭角和叶片结构铺层的参数化表达,建立了完整的复合材料风力机叶片参数化有限元模型,通过对比有限元模型和某公司同等级别叶片的质量和动态特性,证实参数化建模能较准确地模拟真实叶片实际构造。基于此,以气动弹性影响下叶片输出功率最大和叶片质量最小为双目标,考虑在叶片设计时翼型形状、叶片弦长扭角及叶片结构铺层之间的相互影响,对某3MW风力机叶片进行翼型、叶片气动外形与结构的一体化设计,结果表明,优化后叶片满足强度设计要求,叶片质量得到降低,同时在气动弹性影响下的性能得到提高。此研究对风力机翼型和叶片的设计具有重要的现实意义。