[發(fā)明專利]一種基于結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的風(fēng)力機(jī)葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110276492.3
• 申請日: 2011-09-16
• 公開（公告）號: CN102332044A
• 公開（公告）日: 2012-01-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 石可重;趙曉路;徐建中
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)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(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)械行業(yè)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法。

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背景技術(shù)

隨著全球氣候變暖日趨嚴(yán)重，CO₂減排的壓力加大，同時(shí)化石能源供應(yīng)緊張，可再生清潔能源越來越受到各主要國家的青睞。風(fēng)能具有儲量大、分布廣、清潔無污染、綜合成本較低且在下降等優(yōu)勢，是非常有前景的發(fā)電方式之一。風(fēng)能作為未來能源供應(yīng)重要組成部分的戰(zhàn)略地位受到世界各國的普遍重視。

為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的規(guī)模利用，降低風(fēng)能利用成本，風(fēng)電機(jī)組正朝著大尺寸、大功率的方向發(fā)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，導(dǎo)致葉片成本的增加，同時(shí)也帶來葉片載荷的增加。隨著風(fēng)電機(jī)組大型化的發(fā)展趨勢，這種趨勢也更加明顯。

目前水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪葉片大都是由腹板、梁帽、和蒙皮等組成。圖1為現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)力機(jī)葉片的整體外觀結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)力機(jī)葉片梁帽與腹板的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1、2所示，腹板4和上、下梁帽3、5為葉片的主要承載部件，承受葉片的大部分載荷；蒙皮1主要起保持幾何翼型的作用。?

由于現(xiàn)有技術(shù)的水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的上述結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致葉片質(zhì)量過重，葉片成本的增加，同時(shí)也帶來葉片載荷的增加，從而影響到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整體運(yùn)行效率。

因此，針對現(xiàn)有技術(shù)的大型風(fēng)力機(jī)葉片的上述缺點(diǎn)和不足，對風(fēng)力機(jī)葉片起主要承載作用的梁帽、腹板結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，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(fā)明內(nèi)容

（一）要解決的技術(shù)問題

針對現(xiàn)有技術(shù)的大型風(fēng)力機(jī)葉片質(zhì)量過重的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明提出了一種基于拓?fù)鋬?yōu)化理論的水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，依據(jù)該設(shè)計(jì)方法制造的葉片，可在保障葉片氣動、結(jié)構(gòu)性能的同時(shí)，降低葉片重量和載荷，以適應(yīng)葉片大型化的發(fā)展方向。

（二）技術(shù)方案

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，所述葉片包括蒙皮（1）、腹板（4）和梁帽（3、5），所述梁帽（3、5）與腹板（4）包括若干個開孔（6、7、8），其特征在于，該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法包括以下步驟：

1）根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用現(xiàn)有的葉片設(shè)計(jì)方法，確定葉片的氣動外形參數(shù)和腹板（4）、梁帽（3、5）的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)，作為優(yōu)化前的初始設(shè)計(jì)；

2）采用有限元數(shù)值分析方法，對所設(shè)計(jì)的初始葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，根據(jù)葉片實(shí)際承載情況確定其邊界條件；

3）以梁帽（3、5）與腹板（4）上材料質(zhì)量的分布為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，以保障葉片承載能力的前提下，降低葉片重量為優(yōu)化目標(biāo)；

4）通過采用通用的拓?fù)鋬?yōu)化方法，對上述優(yōu)化目標(biāo)及變量下的葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，依據(jù)分析結(jié)果，并在考慮葉片加工工藝的情況下，對腹板（4）與梁帽（3、5）進(jìn)行開孔設(shè)計(jì)，確定腹板（4）與梁帽（3、5）的初步開孔位置及開孔尺寸；

5）完成步驟1）至步驟4）后，得到初步設(shè)計(jì)完成的葉片結(jié)構(gòu)；

6）根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對初步設(shè)計(jì)完成的葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和疲勞校核，根據(jù)校核結(jié)果，對初步設(shè)計(jì)的葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，獲得保證葉片具有良好結(jié)構(gòu)性能的最終結(jié)構(gòu)形式；

通過以上步驟實(shí)施，完成葉片的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)過程，在設(shè)計(jì)過程中，對葉片的氣動外形不做調(diào)整，保持與步驟1）中一致，以保證其氣動性能符合設(shè)計(jì)要求。

優(yōu)選地，采用在梁帽（3、5）與腹板（4）上開孔的方式實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化，通過優(yōu)化分析，實(shí)現(xiàn)對開孔（6、7、8）結(jié)構(gòu)的調(diào)整，調(diào)整參數(shù)包括腹板（4）、梁帽（3、5）上的開孔位置、開孔尺寸。

優(yōu)選地，所述梁帽包括上梁帽（3）和下梁帽（5）。

優(yōu)選地，所述開孔包括上梁帽開孔（6）、腹板開孔（7）和下梁帽開孔（8）。

優(yōu)選地，所述開孔（6、7、8）為矩形開孔。

優(yōu)選地，所述開孔（6、7、8）的數(shù)目、尺寸和排布位置依據(jù)優(yōu)化與校核結(jié)果確定。

（三）有益效果

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下明顯的實(shí)質(zhì)特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)：?

1）葉片中起主要承載作用的腹板和梁帽結(jié)構(gòu)，采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，進(jìn)行開孔設(shè)計(jì)，在保障承載能力的同時(shí)，降低了重量；

2）可根據(jù)載荷與強(qiáng)度分布情況，在設(shè)計(jì)階段靈活設(shè)計(jì)開孔的位置、數(shù)量、尺寸等，保證葉片強(qiáng)度、剛度、質(zhì)量的合理分布，提高葉片的抗載荷能力、抗疲勞性能以及優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)動力特性。

附圖說明