风力机后掠叶片外端的气动中心远离叶片扭转轴形成较大扭转力臂,使结构呈“弯扭耦合”特性,后掠叶片通过弯扭耦合变形特性可降低机组荷载。传统基于二维翼型数据的动量叶素理论受限于三维效应与叶素相互作用效应,而后掠叶片展向流动显著,因此叶素动量理论不适用于后掠叶片的风力机气动性能分析。为了提高后掠叶片风力机气动载荷的三维计算能力、计算效率与计算平稳性,本文以理论分析与数值模拟相结合,针对后掠叶片展向流动影响,研究适用于后掠叶片的三维气动性能预测的升力线模型。本文主要包含以下三个方面的内容:一、验证基于升力线模型的大型直叶片风力机气动载荷的三维计算能力、计算效率与计算平稳性。本文首先通过对叶素动量理论,涡方法理论,CFD(计算流体力学)理论的适用范围进行简要分析,采用涡方法模型中的螺旋尾涡升力线模型来研究叶片气动性能参数,通过对附着涡分布、控制点的诱导速度以及迭代法求解算法等问题进行研究和分析,针对风力机的各项气动性能参数,建立了基于螺旋尾涡升力线模型的水平轴风力机风轮气动性能数值分析算法,并在FORTRAN平台中创建了分析程序。以NREL实验室公布的5MW风力机叶片为例,分析了该风力机的气动性能并与NREL发布的结果进行了对比验证,结果表明所开发的数值计算模型具有较高的计算效率和准确性。二、建立不同升力线方程的后掠叶片的几何模型,并通过升力线模型对其气动性能参数进行计算分析。叶片后掠方式的不同可能会影响到风力机的气动性能参数,本文通过对不同的叶片后掠升力线方程的风轮进行研究,通过直接改变直叶片的各个刚体的偏移位移,增大风轮扫掠面积来对后掠叶片风力机的各项气动性能参数进行分析,建立了基于螺旋尾涡升力线模型的后掠叶片风力机风轮气动性能数值分析算法,并在MATLAB平台中创建了分析程序;此外,还考虑了另外一种后掠方式的后掠叶片,通过保证后掠叶片与直叶片拥有相同的风轮扫掠面积,同样对其各项气动性能参数进行分析并与直叶片风轮进行对比,揭示叶片后掠对机组各项气动性能参数如功率,扭矩,轴向力等的影响。结果表明:与原直叶片相比,后掠叶片的偏移位移使得风轮扫掠面积增加,从而使得风力机的轴向力、功率与扭矩也相应增大;当叶片扫掠面积相同时,在大风速下,叶片后掠的偏移位移越大,则功率与扭矩也越大,叶片后掠的降载作用越明显。三、对于风力机而言,风剪切、垂直风、大气湍流、塔影效应以及偏航运动等因素,都会造成风力机在一个非定常的环境中运行。因此,研究非定常条件下风力机的气动性能,对考虑实际运行条件下风力机的设计和稳定性分析是十分必要的。本文在已建立的升力线模型的基础上,结合修正的Beddoes-Lesihman动态失速模型,研究分析了风剪切条件下,所设计的后掠叶片风力机的气动性能参数,并与静态分析的结果进行了分析比较。本文的研究工作应用升力线理论,建立后掠叶片三维升力法分析模型,研究叶片气动布局设计等参数变化对叶片气动载荷的影响,对于保证准确的气动性能计算具有重要的作用;研究成果将为后掠叶片气弹稳定性设计奠定理论基础,为后掠叶片降载优化设计提供科学支撑和指导。