[發明專利]一種基于結構尺寸參數優化的風力機葉片優化設計方法

有效

• 申請號: 201110276327.8
• 申請日: 2011-09-16
• 公開（公告）號: CN102332043A
• 公開（公告）日: 2012-01-25
• 發明（設計）人: 石可重;趙曉路;徐建中
• 申請（專利權）人: 中國科學院工程熱物理研究所
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

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技術領域

本發明涉及機械行業風力發電技術領域，尤其涉及一種基于結構尺寸參數優化的水平軸風力機葉片優化設計方法。

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背景技術

風能作為未來能源供應重要組成部分的戰略地位受到世界各國的普遍重視。我國風能資源儲量豐富，據初步估算，我國陸上離地面10米高度層的風能資源可開發量為2.53億千瓦；近海區域離海面10米高度層的風能儲量約為7.5億千瓦。從宏觀上看，我國具備大規模發展風力發電的資源條件。

為了實現風能的規模利用，降低風能利用成本，風電機組正朝著大尺寸、大功率的方向發展。由于尺寸的增大，葉片重量也往往隨之增大。葉片重量的增大，不僅導致葉片成本的增加，同時也帶來葉片載荷的增加，如離心力載荷、重力載荷等。載荷的加大對葉片強度、剛度、以及疲勞耐久性能等都帶來不良影響，影響機組的安全運行。隨著風電機組大型化的發展趨勢，這種趨勢也更加明顯。

目前水平軸風力發電機組風輪葉片的主要結構大都是由腹板、梁帽、蒙皮等組成。圖1為現有技術的風力機葉片的整體外觀結構示意圖。圖2為葉片截面示圖。如圖1、2所示，腹板3與梁帽4為葉片的主要承載部件，承受葉片的大部分載荷。

為適應葉片大型化發展趨勢，針對現有技術的大型風力機葉片的結構特點，對風力機葉片進行設計與優化，以降低葉片重量，提高葉片性能，具有十分重要的意義。

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發明內容

（一）要解決的技術問題

針對大型風力機葉片質量不斷加重的特點，本發明提出了一種基于結構尺寸參數優化的水平軸風力機葉片的優化設計方法，依據該設計方法制造的葉片，可在保障葉片氣動、結構性能的同時，降低葉片重量，以適應葉片大型化的發展方向。

（二）技術方案

根據本發明的一個方面，提供了一種基于結構尺寸參數優化的水平軸風力機葉片的優化設計方法，所述葉片包括腹板(3)、梁帽(4)和蒙皮(1)，其特征在于，該優化設計方法包括以下步驟：

1）根據設計要求，采用現有葉片設計方法，確定葉片的氣動外形參數和腹板(3)、梁帽(4)的初步結構參數；

2）使用有限元數值優化方法，建立葉片的有限元結構模型；

3）將葉片沿徑向劃分若干段，設劃分段數為N，分別以各段梁帽(4)的厚度(H)與弦向寬度(B)、以及腹板(3)的寬度(A)為優化變量，總計3N個優化變量；?

4）以葉片的重量最小為優化目標；?

5）依據步驟3）-4）的優化參數設定，采用有限元數值優化方法進行迭代計算，開展梁帽(4)與腹板(3)結構的參數優化，獲得滿足優化參數所要求的梁帽(4)與腹板(3)尺寸；

6）對優化所獲得的各段梁帽(4)、腹板(3)結構進行光順，獲得最終的葉片梁帽(4)、腹板(3)結構；

7）以步驟6）中所獲得的梁帽(4)、腹板(3)結構，替換步驟1）中的梁帽(4)、腹板(3)結構，完成對葉片的優化過程；

通過以上步驟實施，完成葉片的優化設計過程，在優化過程中，對葉片的氣動外形不做調整，保持與步驟1）中一致，以保證其氣動性能符合設計要求。

優選的，在所述葉片的優化設計過程中以葉片結構強度、剛度與動力特性參數保持在合理范圍為優化約束。

優選的，所述動力特性參數為葉片的固有頻率。

優選的，對初步設計的葉片結構進行調整優化，通過調整梁帽、腹板的結構參數以獲得優化效果。

（三）有益效果

本發明與現有技術相比，具有如下明顯的實質特點和顯著優點：?

1）葉片中起主要承載作用的梁帽、腹板結構，采用結構參數優化技術，所獲得的梁帽、腹板結構，在保障承載能力的同時，降低了重量；

2）降低重量直接地導致葉片成本的降低；

3）通過對梁帽、腹板尺寸的優化，保證葉片強度、剛度、質量的合理分布，提高葉片的抗載荷能力、抗疲勞性能以及優化葉片結構動力特性。

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附圖說明

圖1為現有技術的風力機葉片的整體外觀結構示意圖；

圖2為現有技術的風力機葉片截面示意圖；

圖3為本發明所涉及的參數優化對象——梁帽、腹板結構示意圖。

其中，1.蒙皮，2.葉片內部結構（腹板和梁帽），3.腹板，4.梁帽

?具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。