[发明专利]一种变速风机叶片的多工况气动优化的改进方法

说明书

本发明公开了一种适用于变速风机的多工况气动优化设计方法，该方法基于直接优化方法，考虑风轮设计过程中集总参数对运行叶尖速比λ_ope分布特性的影响以预测优化过程中新风轮的λ_ope分布特性，并据此自动更新目标函数中的多个设计叶尖速比及其权重，采用遗传算法搜索目标函数的最优值。本发明无需限制优化风轮的λ_ope分布特性与初始风轮，使得所得优化风轮的运行工况集中分布于更容易提升风能利用系数C_P的叶尖速比处，能够进一步提高风力机的平均风能捕获效率。

技术领域

本发明属于风力机叶片气动优化设计领域，特别是一种变速风机叶片的多工况气动优化的改进方法。

背景技术

近年来，变速风机(VSWT)已成为大型风电机组的主流机型。在低于额定风速时，风机普遍采用最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制策略。它会根据风速的变化调整风轮转速，使风轮运行在最佳叶尖速比λ_opt，并以最大风能利用系数C_p,max捕获风能。因此，传统的针对变速风机风轮的气动设计一般仅优化风轮在单一工况点(即λ_opt)的气动性能。而实际上，由于风轮转动惯量较大，风力机无法快速响应风速的突然变化、从而常运行在跟踪λ_opt的过程中而非λ_opt处。

考虑到变速风机无法保持运行在单一叶尖速比，为提高其在多工况点的平均气动性能，现有技术已经提出以多个叶尖速处的风能利用系数C_P的加权和作为目标函数的多工况气动优化设计方法。该方法通过风力机闭环系统(含风轮、传动链和MPPT控制)的数值仿真获得对应于不同运行叶尖速比区间的来流风能、并将其作为量化描述各工况重要程度的指标，然后基于重点提升对应来流风能较大的叶尖速比处的C_P的思路，确定目标函数中的多个设计叶尖速比及其对应权值。仿真结果表明，该方法能够提高变速风机在多个运行叶尖速比λ_ope处的平均气动性能。

但是，由于该多工况方法是根据初始风轮的λ_ope的分布特性来确定目标函数进而获得优化风轮，为保证该方法有效，必须保证优化风轮与初始风轮的λ_ope分布相同，且优化风轮能够在这些固定的叶尖速比处(即对应初始风轮来流风能较大的叶尖速比)提升C_P。而实际上，风力机在不同叶尖速比所能达到的功率系数极限是不同的，也即风力机在不同叶尖速比提升C_P的难易程度是不同的。因此，主动调整运行工况使其集中分布于更容易提升C_P的叶尖速比处，可以进一步提升风力机的平均气动性能。

由上可知，现有技术固定了优化风轮的运行叶尖速比λ_ope分布，使得运行工况单一且固定，不能主动调整至提升风能利用系数C_P更容易的工况下，因而风力机的平均气动性能提升比例有待提高。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种变速风机叶片的多工况气动优化的改进方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种变速风机叶片的多工况气动优化的改进方法，包括以下步骤：

步骤1、对控制点进行初始化，利用贝塞尔曲线拟合初始叶片的弦长和扭角曲线，得到控制点的初始值；同时构建初始表格，该表格为最优叶尖速比-设计叶尖速比-权重表，表格包含上述三种参数；

步骤2、利用贝塞尔曲线的控制点生成叶片气动外形，该外形包括弦长和扭角分布；

步骤3、判断叶片外形是否满足所有约束条件，若满足，执行步骤4，否则，将目标函数值设为零，执行步骤7；