[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

说明书

本发明提供一种能够在对风力机的叶片进行更全面的优化设计，从而在保证叶片拥有较高气动性能的同时、降低其所受的载荷的考虑气动效率与气动载荷的风力机叶片优化设计方法，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，并在设计工况下通过气动分析分别计算出各个叶片截面的气动性能；步骤S2，将叶片分为多个叶素，并基于动量‑叶素理论以及气动性能计算出叶片的受力情况以及输出功率，进一步以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目标函数进行求解从而得到各个叶片截面的优化翼型以及优化安装角。

技术领域

本发明属于风力机叶片领域，具体涉及一种考虑气动性能与气动载荷的风力机叶片优化设计方法。

背景技术

风能利用在我国正不断高速发展，高强度、高性能已经成为了新型风力机的设计需求。叶片是风力机中最重要的部件之一，其气动外形决定了风力机的效率以及叶片所承受的载荷强度。因此，使风力机叶片具有良好气动性能和更低的受载是风力机叶片设计及优化中重要的一环。

传统的叶片优化设计从翼型优化开始，其优化目标为翼型的最大升阻比，得到优化翼型后再将其堆叠组成叶片。但翼型升阻比仅为影响风力机叶片性能的一个相关因素，并非风力机叶片的直接设计目标，风力机叶片更直接关心的是其风能利用率。同时，翼型优化的方法也并未能考虑到叶片安装角的优化。因此，这种二维设计容易造成局部最优解，具有局限性。

此外，传统的叶片优化往往忽略了翼型曲线变化对叶片所受载荷强度的影响，导致风力机发电量提高的同时叶片受载也提高，其结构强度变差。

发明内容

为解决上述问题，提供一种能够在对风力机的叶片进行更全面的优化设计，从而在保证叶片拥有较高气动性能的同时、降低其所受的载荷的叶片优化设计方法，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供了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，并在设计工况下通过气动分析分别计算出各个叶片截面的气动性能；步骤S2，将叶片分为多个叶素，并基于动量-叶素理论以及气动性能计算出叶片的受力情况以及输出功率，进一步以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目标函数进行求解从而得到各个叶片截面的优化翼型以及优化安装角，其中，步骤S3包括如下子步骤：步骤S3-1，将各个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；步骤S3-3，基于目标函数、设计变量、约束条件以及遗传算法参数，通过多岛遗传算法进行种群优化计算从而得到对应各个叶片截面的优化翼型以及优化安装角，在种群优化计算时，采用型函数扰动法在各个叶片截面的原始翼型上叠加不同参数的型函数来改变原始翼型的形状从而形成新翼型。

本发明提供的考虑气动效率与气动载荷的风力机叶片优化设计方法，还可以具有这样的技术特征，其中，型函数扰动法采用Hicks-Henne型函数扰动法，新翼型的通用表达式为：

式中，y(x)为新翼型的纵坐标，y₀(x)为原始翼型的纵坐标，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为基函数个数，基函数f_i(x)为：

式中，e(i)＝ln0.5/lnx_i，(0≤x_i≤1)。