[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

本發明公開了一種風電葉片氣動結構耦合設計方法，包括步驟：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、翼型相對厚度分布；3)葉片氣動載荷計算；4)基于數據庫插值的葉片剛度計算；5)葉片揮舞變形的計算；6)數據篩選及確定最終設計方案。本發明能極大地提高風電葉片的設計、研發效率和減少葉片設計中間迭代次數，最終實現降低葉片載荷和減少葉片質量。

技術領域

本發明涉及可再生新能源風電葉片的技術領域，尤其是指一種風電葉片氣動結構耦合設計方法。

背景技術

隨著風力發電功率的快速提升，風電葉片正在向著大型化、輕量化、智能化快速發展。由于氣動、結構、葉片成本之間存在相互限制關系，即葉片弦長越大、厚度越大、主梁鋪層層數越多，葉片的剛度越大，承載能力越強。但是葉片相應的重量越大，成本越高。

氣動設計方面，研究人員以年發電量和度電成本等為目標函數，結合遺傳算法和粒子群算法，對葉片進行設計。以年發電量為目標函數，葉片結構強度方面可能不符合要求；以度電成本為目標函數，函數構建的難度極大。

對于纖維增強型復合材料葉片，根據弦長、扭角、相對厚度、主梁寬度、主梁鋪層層數，可以通過FOCUS或者ANSYS得到剛度分布。再將剛度分布導入到BLADED，計算變形，對結構強度進行校核。葉片的發電量、結構強度、剛度采用多款軟件進行設計，設計過程需要反復迭代，軟件計算時間比較長，新款葉片需要較長的開發周期。

基于氣動、結構一體化設計的理念，通過程序腳本驅動，由FOCUS得到葉片剛度分布。通過正交試驗構建與弦長、翼型相對厚度、主梁寬度、主梁鋪層層數相對應的數據庫。在氣動與結構計算相互迭代的過程中，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。由于剛度的查找僅通過簡單的加權插值，因此計算時間的消耗可忽略不計，大幅縮短了優化設計所需的時間。此外，數據庫的構建可以根據需求進行擴充，或者對剛度進一步修正。由于葉片剛度采用風電葉片行業應用廣泛的商用軟件FOCUS產生，插值求解的剛度具有較好的準確度。剛度計算時間即設計人員可在單一的設計軟件里面對發電量、最大風能利用系數Cp、軸向推力、葉片剛度、揮舞變形進行快速全面評估。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提出了一種科學可靠的風電葉片氣動結構耦合設計方法，能極大地提高風電葉片的設計、研發效率和減少葉片設計中間迭代次數，最終實現降低葉片載荷和減少葉片質量。

為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為：一種風電葉片氣動結構耦合設計方法，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、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。