一种基于结构尺寸参数优化的风力机叶片优化设计方法

摘要

本发明公开了一种基于结构尺寸参数优化的水平轴风力机叶片的优化设计方法，包括以下步骤：采用现有叶片设计方法，确定叶片的气动外形参数和腹板与梁帽的初步结构参数；沿叶片径向对叶片梁帽与腹板划分为若干分段，以不同分段处梁帽的厚度与弦向宽度、以及腹板厚度为优化变量，以叶片重量为优化目标，以叶片刚度、强度、动力特性为优化限制因素，采用结构参数化优化方法，对叶片梁帽与腹板进行优化；通过优化计算，确定各段梁帽与腹板的最佳结构尺寸，之后再对各段梁帽、腹板的相邻处进行光顺过渡，得到最终优化的叶片几何结构。通过以上优化手段，可实现在保持叶片结构强度、刚度与结构动力特性在合理范围的同时，减轻叶片重量，同时也有利于减少叶片载荷。

说明书

 

技术领域

本发明涉及机械行业风力发电技术领域，尤其涉及一种基于结构尺寸参数优化的水平轴风力机叶片优化设计方法。

 

背景技术

风能作为未来能源供应重要组成部分的战略地位受到世界各国的普遍重视。我国风能资源储量丰富，据初步估算，我国陆上离地面10米高度层的风能资源可开发量为2.53亿千瓦；近海区域离海面10米高度层的风能储量约为7.5亿千瓦。从宏观上看，我国具备大规模发展风力发电的资源条件。

为了实现风能的规模利用，降低风能利用成本，风电机组正朝着大尺寸、大功率的方向发展。由于尺寸的增大，叶片重量也往往随之增大。叶片重量的增大，不仅导致叶片成本的增加，同时也带来叶片载荷的增加，如离心力载荷、重力载荷等。载荷的加大对叶片强度、刚度、以及疲劳耐久性能等都带来不良影响，影响机组的安全运行。随着风电机组大型化的发展趋势，这种趋势也更加明显。

目前水平轴风力发电机组风轮叶片的主要结构大都是由腹板、梁帽、蒙皮等组成。图1为现有技术的风力机叶片的整体外观结构示意图。图2为叶片截面示图。如图1、2所示，腹板3与梁帽4为叶片的主要承载部件，承受叶片的大部分载荷。

为适应叶片大型化发展趋势，针对现有技术的大型风力机叶片的结构特点，对风力机叶片进行设计与优化，以降低叶片重量，提高叶片性能，具有十分重要的意义。

 

发明内容

（一）要解决的技术问题

针对大型风力机叶片质量不断加重的特点，本发明提出了一种基于结构尺寸参数优化的水平轴风力机叶片的优化设计方法，依据该设计方法制造的叶片，可在保障叶片气动、结构性能的同时，降低叶片重量，以适应叶片大型化的发展方向。

（二）技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种基于结构尺寸参数优化的水平轴风力机叶片的优化设计方法，所述叶片包括腹板(3)、梁帽(4)和蒙皮(1)，其特征在于，该优化设计方法包括以下步骤：

1）根据设计要求，采用现有叶片设计方法，确定叶片的气动外形参数和腹板(3)、梁帽(4)的初步结构参数；

2）使用有限元数值优化方法，建立叶片的有限元结构模型；

3）将叶片沿径向划分若干段，设划分段数为N，分别以各段梁帽(4)的厚度(H)与弦向宽度(B)、以及腹板(3)的宽度(A)为优化变量，总计3N个优化变量； 

4）以叶片的重量最小为优化目标； 

5）依据步骤3）-4）的优化参数设定，采用有限元数值优化方法进行迭代计算，开展梁帽(4)与腹板(3)结构的参数优化，获得满足优化参数所要求的梁帽(4)与腹板(3)尺寸；

6）对优化所获得的各段梁帽(4)、腹板(3)结构进行光顺，获得最终的叶片梁帽(4)、腹板(3)结构；

7）以步骤6）中所获得的梁帽(4)、腹板(3)结构，替换步骤1）中的梁帽(4)、腹板(3)结构，完成对叶片的优化过程；

通过以上步骤实施，完成叶片的优化设计过程，在优化过程中，对叶片的气动外形不做调整，保持与步骤1）中一致，以保证其气动性能符合设计要求。

优选的，在所述叶片的优化设计过程中以叶片结构强度、刚度与动力特性参数保持在合理范围为优化约束。

优选的，所述动力特性参数为叶片的固有频率。

优选的，对初步设计的叶片结构进行调整优化，通过调整梁帽、腹板的结构参数以获得优化效果。

（三）有益效果

本发明与现有技术相比，具有如下明显的实质特点和显著优点： 

1）叶片中起主要承载作用的梁帽、腹板结构，采用结构参数优化技术，所获得的梁帽、腹板结构，在保障承载能力的同时，降低了重量；

2）降低重量直接地导致叶片成本的降低；

3）通过对梁帽、腹板尺寸的优化，保证叶片强度、刚度、质量的合理分布，提高叶片的抗载荷能力、抗疲劳性能以及优化叶片结构动力特性。

 

附图说明

图1为现有技术的风力机叶片的整体外观结构示意图；

图2为现有技术的风力机叶片截面示意图；

图3为本发明所涉及的参数优化对象——梁帽、腹板结构示意图。

其中，1.蒙皮，2.叶片内部结构（腹板和梁帽），3.腹板，4.梁帽

 具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在本发明的一个示例性实施例中，水平轴风力机叶片结构包括腹板3、梁帽4与蒙皮1。

本实施例中，通过采用结构参数优化技术，根据叶片的载荷特点，对叶片梁帽3与腹板4结构进行优化分析，通过这种优化技术，在达到减重目的的同时，保持了叶片依然有良好的承载能力。

结构参数优化是结构优化的一种类型，以结构的某些尺寸参数特征为优化变量，通过设定优化目标与优化限定约束，在结构件满足一定的性能限定条件下，通过对优化变量的寻优设定，以实现一个或多个优化目标。如在本发明中，是以梁帽、腹板在各径向分段处的几何尺寸为优化变量，以叶片重量最轻为优化目标，以叶片的刚度、强度与固有频率保持在合理设计范围为优化限制约束。通过尺寸变量的寻优计算，获取可满足优化目标与优化约束的最佳变量值。为了实现复杂结构的参数优化，通常采用有限元数值计算技术进行优化变量对结构影响的迭代分析，通过变量与结构响应之间的灵敏度分析， 可以获取满足条件的结构优化参数。

 本实施例中，该新型水平轴风力机叶片通过以下步骤进行设计：

1）根据设计要求，采用现有叶片设计方法，确定叶片的气动外形参数和腹板与梁帽的初步结构参数；

2）使用有限元数值分析方法，建立叶片的有限元结构模型；

3）将叶片沿径向分成若干段，设段数为N，分别以各段梁帽4的厚度H与弦向宽度B以及腹板3的宽度A为优化变量，总计3N个优化变量； 

4）以叶片的重量最小为优化目标； 

5）以叶片刚度、强度、固有频率保持在合理设计范围为优化约束；

6）依据步骤3）-5）项的优化参数设定，采用有限元结构计算进行迭代计算，开展结构参数优化，获得满足优化参数所要求的梁帽4、腹板3尺寸；

7）对所获得各段梁帽4、腹板3的优化结构进行光顺；

8）以步骤7）中所获得梁帽4、腹板3结构，替换步骤1）中的梁帽结构，完成对叶片的优化过程；

通过以上步骤实施，完成叶片的优化设计过程，在优化过程中，对叶片的气动外形不做调整，保持与步骤1）中一致，以保证其气动性能符合设计要求。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。