风能是无污染可再生的绿色能源。目前,利用水平轴风力机发电是风能利用的主要形式。风力机风轮叶片的外形决定了风能转换的效率,风力机的叶片设计涉及到复杂的气动性能计算及搜索寻优过程。虽然国内外学者对影响水平轴风力机气动性能的主要因素也进行过多方面研究,但作为水平轴风力机的设计理论和方法还很不完备。本研究针对水平轴风力机气动模型的选取、风轮气动性能计算的数值解法、风轮气动外形的优化设计、桨距调节的优化设计进行探讨,其研究内容主要包括有三个方面:(1)水平轴风力机气动性能的计算。首先,采用有限叶片变环量T(r)旋涡气动模型;其次,采用Newton插值—数组化数值解法对叶片径向的环量分布,诱导速度,来流的下洗角所涉及的积分—微分方程组进行求解;最后,采用MATLAB编程计算风轮各气动性能参数。(2)水平轴风力机气动外形的优化设计。首先,确定优化性能指标为风力机的年平均功率;其次,在了解风力机理论和叶片结构的基础上,对叶片进行划分,取得17个截面,并确定选取能够改变叶片设计外形的设计参数;再次,确定设计变量的约束条件和目标函数;最后,根据实际情况选择恰当的收敛精度。(3)水平轴风力机桨距调节的优化设计与气动性能计算。首先,在各个风速下分析桨距的调节趋向;其次,选取符合桨距调节的设计变量、设计变量的约束条件、桨距调节的目标函数;再次,选择恰当的收敛精度,编写MATLAB程序进行优化设计;最后,根据调桨后安放角的更新和原额定叶片气动与几何参数,计算各个风速下气动性能。通过研究以及分析得出以下结论:(1)基于有限叶片变环量T(r)旋涡气动模型,采用Newton插值—数组化数值解法所涉及的积分—微分方程组进行求解,利用MATLAB编程计算水平轴风力机的功率系数。研究表明:选取的气动模型与实际风轮运行比较符合;直接对诱导速度的积分-微分方程数值求解,可获得较准确的气动计算结果;采用多线程数组运算编程,提高了数值计算效率;(2)基于上述模型,对水平轴风力机的气动外形采用粒子群优化算法进行优化设计。研究表明:针对特定风场,考虑了风场风速的概率分布,以风轮年平均功率最大为目标,使用粒子群算法进行搜索寻优。从寻优结果发现,针对特定风场设计的水平轴风力机风轮,与已有同样扫风面积的风力机风轮进行对比,设计结果有明显的优越性,并能选取合适的额定风速,从而说明了该优化设计模型的有效性与实用性。(3)通过选取合适的设计变量、约束条件、目标函数,采用粒子群算法对桨距的调节进行优化设计,并计算调节后的气动性能。结果表明:优化设计出的桨距调节值呈线性化分布,这与桨距调节理论相吻合;调桨后的各气动性能变化趋势与现行风力机桨距调节的气动性能变化曲线变化一致,从而说明了该桨距调节的优化设计模型的有效性与实用性。