[發明專利]一種風電葉片氣動結構耦合設計方法

有效

• 申請號: 202010146165.5
• 申請日: 2020-03-05
• 公開（公告）號: CN111310252B
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發明（設計）人: 劉峰;高猛;孫松峰;陳文光;李軍向
• 申請（專利權）人: 明陽智慧能源集團股份公司
• 主分類號: G06F30/10
• 分類號: G06F30/10;G06F30/17;F03D1/06;G06F119/14
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 馮炳輝

1.一種風電葉片氣動結構耦合設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)輸入設計參數，包括機組相關參數和幾何設計參數；

2)葉片幾何參數設計，主要參數化生成風電葉片弦長分布、扭角分布、厚度分布；

3)葉片氣動載荷計算

采用葉素-動量理論BEM，計算氣動載荷，得到各個翼型截面的氣動力參數，進而得到風能利用系數Cp、額定點軸向推力和年發電量，通過積分的方式，求解葉片表面積，并根據氣動載荷簡化得到的集中力和力臂，計算葉根到葉尖的葉片揮舞方向彎矩分布；

4)葉片剛度計算

通過弦長、翼型相對厚度、主梁寬度、主梁鋪層層數對葉片剛度在數據庫中進行搜索插值，得到葉片各截面的剛度；

5)葉片揮舞變形的計算

采用二結點梁單元分段進行計算，由彎矩計算葉片揮舞方向的變形和軸向的變形，由于葉片變形之后，力臂會發生大的變化，因此，將變形后的力臂代入，重新計算彎矩和變形，最終使葉尖相鄰迭代次的揮舞變形差值在0.1m，迭代至收斂，完成變形量的計算；

6)數據篩選及確定最終設計方案。

2.根據權利要求1所述的一種風電葉片氣動結構耦合設計方法，其特征在于：在步驟1)中，所述機組相關參數包括輸入機組額定功率、最大轉速、機組損耗、平均風速、Weibull分布曲線形狀參數k、軸向推力限制值、最大允許的揮舞變形、風能利用系數Cp設計值；所述幾何設計參數包括最大弦長變化范圍及變化步長、葉根弦長變化范圍及變化步長、最大弦長對應的展向位置范圍及變化步長、靠近葉尖處的弦長范圍及變化步長、厚度設計參數、葉根到葉尖主梁鋪層函數分布。

3.根據權利要求1所述的一種風電葉片氣動結構耦合設計方法，其特征在于：在步驟2)中，所述弦長分布參考某機型的歸一化弦長分布，即為標準弦長分布，橫坐標為葉片展長與葉片長度的比值，縱坐標為弦長與葉根圓直徑的比值，基于標準弦長分布，通過控制葉根弦長、最大弦長及最大弦長對應的葉片展向位置、靠近葉尖處的弦長，從而對弦長分布進行控制；

在葉片翼型相對厚度方案的設計過程中，選取了三款葉片歸一化翼型相對厚度分布作為標準翼型相對厚度分布，在此翼型相對厚度的基礎上，通過與相關函數的疊加，構造出新的翼型相對厚度分布；

所述扭角分布參考了某機型扭角和攻角分布，以預設扭角分布為設定方案，通過整體的平移以及與相關函數的疊加，從而調整扭角分布；第一步，使扭角變化范圍為[-3,3]，步長1，單位為°，在此范圍內找到年發電量最大的點；第二步，在第一步求得的最優點的基礎上，扭角變化范圍為[-0.4,0.4]，步長為0.2，單位為°，在此范圍內找到年發電量最大的點。

4.根據權利要求1所述的一種風電葉片氣動結構耦合設計方法，其特征在于：在步驟4)中，所述數據庫的構建方式如下：

以纖維增強型復合材料葉片為研究對象，其結構主要分為殼體、主梁、腹板，其中主梁主要承受揮舞彎矩，殼體前緣和尾緣主要承受擺振彎矩，腹板主要是承受橫向剪切載荷，與殼體的夾芯結構一起保持葉片的承載能力；

殼體為三明治夾芯結構，由表層玻璃鋼FRP和芯材構成，并采用單軸向布、雙軸向布和三軸向布，芯材由巴沙木或者PVC泡沫構成；單軸向布主要應用于主梁鋪層，承受揮舞彎矩；雙軸向布主要應用于腹板和蒙皮，三軸向布主要應用于增強層；

主梁采用單軸向布進行鋪層，在主梁的內外表面存在蒙皮，蒙皮采用雙軸向布進行鋪層，其層數為3層；腹板鋪層為夾芯結構，芯材為PVC泡沫，芯材的內外表面均為3層雙軸向布；

采用FOCUS計算葉片剛度分布，以某葉片弦長、扭角和翼型相對厚度分布，構建葉片剛度數據庫，對葉片尺寸進行整體縮放，其變化范圍為0.5～1.5倍，間距為0.1倍，主梁寬度分別為400mm～1000mm，間距為100mm，主梁鋪層層數為10～110層，間距為10層；調用FOCUS程序腳本，生成不同主梁和葉片尺寸所對應的剛度，且葉片各截面剛度隨主梁鋪層層數的增加而增加。

5.根據權利要求4所述的一種風電葉片氣動結構耦合設計方法，其特征在于：所述單軸向布的型號為EKU120，所述雙軸向布的型號為EKB800，所述三軸向布的型號為EKT800。

6.根據權利要求1所述的一種風電葉片氣動結構耦合設計方法，其特征在于：在步驟6)中，通過設定的最大弦長變化范圍及變化步長、葉根弦長變化范圍及變化步長、最大弦長對應的展向位置范圍及變化步長、靠近葉尖處的弦長范圍及變化步長、厚度設計參數、葉根到葉尖主梁鋪層函數分布，在程序里面批量循環求解相應的變量所對應的軸向推力、揮舞變形、風能利用系數Cp；

通過軸向推力限制值、最大允許的揮舞變形、風能利用系數Cp設計值，在所有結果中進行篩選，確定機組最終設計方案。