[发明专利]一种考虑气动效率与气动载荷的风力机叶片优化设计方法

权利要求书

1.一种考虑气动效率与气动载荷的风力机叶片优化设计方法，用于对风力机的叶片进行翼型和安装角的优化，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，确定叶片的设计工况以及该叶片的多个叶片截面的几何参数，并在所述设计工况下通过气动分析分别计算出各个所述叶片截面的气动性能；

步骤S2，将所述叶片分为多个叶素，并基于动量-叶素理论以及所述气动性能计算出所述叶片的受力情况以及输出功率，进一步以所述叶片的最小叶根弯矩与最大输出功率为优化目标来构建目标函数；

步骤S3，采用多岛遗传算法对所述目标函数进行求解从而得到各个所述叶片截面的优化翼型以及优化安装角，

其中，所述步骤S3包括如下子步骤：

步骤S3-1，将各个所述叶片截面的翼型的型线形状变量和安装角变量确定为设计变量；

步骤S3-2，确定约束条件以及遗传算法参数，所述约束条件包括下述型函数的控制参数c_i、安装角β_i、翼型的最大相对厚度T_m以及优化后的风力机输出功率P和叶根弯矩M；

步骤S3-3，基于所述目标函数、所述设计变量、所述约束条件以及所述遗传算法参数，通过所述多岛遗传算法进行种群优化计算从而得到对应各个所述叶片截面的所述优化翼型以及所述优化安装角，

在所述种群优化计算时，采用型函数扰动法在各个所述叶片截面的原始翼型上叠加不同参数的型函数来改变所述原始翼型的形状从而形成新翼型。

2.根据权利要求1所述的考虑气动效率与气动载荷的风力机叶片优化设计方法，其特征在于：

其中，所述型函数扰动法采用Hicks-Henne型函数扰动法，

所述新翼型的通用表达式为：

式中，y(x)为所述新翼型的纵坐标，y₀(x)为所述原始翼型的纵坐标，c_i为第i个控制参数，f_i(x)为第i个控制参数对应的Hicks-Henne型函数的基函数，n为所述基函数个数，

所述基函数f_i(x)为：

式中，e(i)＝ln0.5/lnx_i，(0≤x_i≤1)。

3.根据权利要求1所述的考虑气动效率与气动载荷的风力机叶片优化设计方法，其特征在于：

其中，步骤S3-2对应的约束方程为：

式中，T_m，T_m0为优化前后翼型最大厚度，β_i为安装角，M_x，M₀为优化前后叶根弯矩，P_x，P₀为优化前后输出功率。

4.根据权利要求3所述的考虑气动效率与气动载荷的风力机叶片优化设计方法，其特征在于：

其中，所述步骤S3-3具体包括如下子步骤：

步骤S3-3-1，输入所述目标函数、所述设计变量、所述约束条件及所述遗传算法参数；

步骤S3-3-2，根据所述原始翼型的型线形状变量和安装角变量生成初始的种群；

步骤S3-3-3，对所述种群使用Hicks-Heene型函数扰动，得到新翼型的通用表达式；

步骤S3-3-4，判断所述新翼型的通用表达式是否满足所述约束方程，当判断为否时进入所述步骤S3-3-2；

步骤S3-3-5，当所述步骤S3-3-4判断为是时，通过所述气动分析对所述新翼型进行气动性能的计算；

步骤S3-3-6，基于所述气动性能计算所述新翼型的叶根弯矩以及输出功率；

步骤S3-3-7，根据所述叶根弯矩以及所述输出功率计算所述新翼型的适应度；

步骤S3-3-8，基于所述适应度判断是否符合预定迭代条件_；

步骤S3-3-9，当所述步骤S3-3-8中判断为是时，对所述种群进行选择、变异、淘汰、交叉或重组操作中的至少一种操作从而形成新的种群，然后进入步骤S3-3-3；

步骤S3-3-10，当所述步骤S3-3-8中判断为否时，根据所述种群输出新翼型的所述优化翼型及所述优化安装角。