CN102588220A

CN102588220A - 一种考虑气动与结构平衡的风电叶片设计方法

Info

Publication number: CN102588220A
Application number: CN2012100521724A
Authority: CN
Inventors: 马志勇; 芮晓明
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2012-03-01
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2012-07-18

Abstract

本发明公开了属于风电叶片设计技术领域的一种考虑气动与结构平衡的风电叶片设计方法。它包括以下步骤：1)根据风电机组叶片及机组参数，将所设计叶片分为内圈与外圈两部分；2)进行内圈叶片气动翼型的选择；3)进行外圈叶片气动翼型的选择；4)进行叶片气动外形计算及优化；5)进行风电机组叶片主梁结构设计；本发明的有益效果为：1)本发明通过将叶片分为内圈和外圈两部分，在内圈选择相对厚度较大的翼型，使在气动设计过程中就考虑结构强度的要求，从而解决了气动设计和结构设计的矛盾。2)本发明在叶片主梁的结构设计中，将叶片内圈部分的主梁抗剪腹板设计成波纹型，从而有效提高了叶片的结构强度。

Description

一种考虑气动与结构平衡的风电叶片设计方法

技术领域

本发明属于风电叶片设计技术领域，特别涉及一种考虑气动与结构平衡的风电叶片设计方法，用于大型风电叶片维复合材料结构的设计。

背景技术

风能作为可再生的绿色能源，凭借其巨大的商业潜力和环保效益，在全球的新能源行业中创造了最快增速，已经形成了一个规模巨大的风力发电工业。风电叶片作为风电机组的核心部件，其设计方法的研究还有待深入。叶片设计可分为两个阶段，即气动设计阶段和结构设计阶段，在前一阶段通过选择叶片几何最佳外形实现年发电量最大的目标，结构设计阶段包括叶片材料选择和确定叶片结构形式等，从而实现叶片强度、刚度、稳定性等目标。

迄今的叶片设计和优化过程中，气动和结构的设计过程是分别开展的，同时设计叶片气动外形和结构会导致较大的计算量，亦没有成熟的方法。常规方法是先进行叶片气动形状设计，然后是叶片结构设计，这样会导致优良的气动形状伴随较难实现的结构。也有进行结构优先设计方法的探讨，但是结构优先方法也很难解决设计过程分离的矛盾。可见，结构强度和气动性能的矛盾是获得优秀叶片设计最大的障碍之一。

在叶片设计过程中，气动性能、载荷、结构强度、动特性以及叶片重量是相互关联的几个方面，如何处理好它们之间的关系是关键。气动设计方面，希望使用薄而窄的翼型，可以提高升阻比，并且减少翼型前缘对粗糙度的敏感性；结构设计需要增加叶片厚度以提高叶片强度和刚度，并减轻叶片重量。随着风电机组的大型化，叶片设计能力的不足已成为制约大型高效风电机组研发的技术关键。

发明内容

本发明针对上述缺陷公开了一种考虑气动与结构平衡的风电叶片设计方法，本发明能够同时考虑到风电叶片的气动与结构设计。

一种考虑气动与结构平衡的风电叶片设计方法，其特征在于，它包括以下步骤：

1)根据风电机组叶片及机组参数，将所设计叶片分为内圈与外圈两部分，具体说明如下：

设定一结构系数κ，叶片结构系数κ定义为：

κ = \frac{r - 1_{1}}{L}

其中，r为风电机组叶片的参考半径；l1为轮毂半径；L为风电机组叶片总长度，选取k值为0.5-0.55，可以得出对应的风电机组叶片的参考半径r的数值，以风电机组风轮的中心点为圆心，以该参考半径r的数值为半径，画出一个圆，位于此圆内的风电机组叶片为内圈叶片，位于此圆外的风电机组叶片为外圈叶片；

2)进行内圈叶片气动翼型的选择：在不包括叶根区域的内圈叶片采用相对厚度为30％～50％的翼型，用以增加叶片截面厚度；

3)进行外圈叶片气动翼型的选择：对外圈叶片进行气动翼型选择时，采用升力系数达到1.5以上且相对厚度小于25％的翼型，充分发挥翼型的气动性能；

4)进行叶片气动外形计算及优化：内圈叶片气动翼型和外圈叶片气动翼型选择完毕后，进行气动外形的计算及优化；

5)进行风电机组叶片主梁结构设计：抗剪腹板和主梁帽构成风电机组叶片主梁，风电机组叶片外形由蒙皮构成；

在对主梁帽进行设计时，根据抗弯能力要求计算其厚度；在对抗剪腹板进行设计时，抗剪腹板内圈部分设计成波纹型，以增加叶片结构强度，抗剪腹板外圈部分仍沿用直抗剪腹板，抗剪腹板内圈部分是指位于内圈叶片范围内的抗剪腹板，抗剪腹板外圈部分是指位于外圈叶片范围内的抗剪腹板。

所述相对厚度为30％～50％的翼型为钝后缘翼型。

采用葛劳渥方法或维尔森方法进行气动外形的计算及优化。

本发明的有益效果为：

1)本发明通过将叶片分为内圈和外圈两部分，在内圈选择相对厚度较大的翼型，使在气动设计过程中就考虑结构强度的要求，从而解决了气动设计和结构设计的矛盾。

2)本发明在叶片主梁的结构设计中，将叶片内圈部分的主梁抗剪腹板设计成波纹型，从而有效提高了叶片的结构强度。

附图说明

图1示出本发明的设计步骤流程图；

图2示出本发明的叶片结构示意图；

图3示出本发明的叶片展向结构示意图；

图4示出本发明的叶片主梁抗剪腹板的结构示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1所示，一种考虑气动与结构平衡的风电叶片设计方法包括以下步骤：

设定一结构系数κ，如图2所示，叶片结构系数κ定义为：

κ = \frac{r - l_{1}}{L}

其中，r为风电机组叶片的参考半径；l₁为轮毂半径；L为风电机组叶片总长度，选取k值为0.5-0.55，可以得出对应的风电机组叶片的参考半径r的数值，以风电机组风轮的中心点为圆心，以该参考半径r的数值为半径，画出一个圆，位于此圆内的风电机组叶片为内圈叶片，位于此圆外的风电机组叶片为外圈叶片；

内圈叶片以结构强度设计为主，外圈叶片以最大限度发挥翼型的空气动力特性为主，这样不但可以增强叶片的结构强度，而且叶片整体气动性能也可得以保持；

2)进行内圈叶片气动翼型的选择：因为内圈叶片所承受的弯曲和疲劳载荷很大，需要侧重结构强度要求设计，本发明选择相对厚度较大的翼型，在不包括叶根区域的内圈叶片采用相对厚度为30％～50％的翼型(例如，采用相对厚度为30％～50％的钝后缘翼型)，用以增加叶片截面厚度；

3)进行外圈叶片气动翼型的选择：外圈叶片所受载荷相对较小，且其捕风能力要求较高。对外圈叶片进行气动翼型选择时，采用升力系数达到1.5以上且相对厚度小于25％的翼型，充分发挥翼型的气动性能；

4)进行叶片气动外形计算及优化：内圈叶片气动翼型和外圈叶片气动翼型选择完毕后，采用葛劳渥(Glauert)方法或维尔森(Wilson)方法进行气动外形的计算及优化；

5)进行风电机组叶片主梁结构设计：叶片结构如图3所示，风电机组叶片主要由叶片根部1、蒙皮3、抗剪腹板4和主梁帽5构成，抗剪腹板4和主梁帽5构成风电机组叶片主梁，风电机组叶片主梁为风电叶片的主要承载结构，风电机组叶片外形由蒙皮3构成。

在对主梁帽5进行设计时，根据抗弯能力要求计算其厚度；在对抗剪腹板4进行设计时，抗剪腹板4内圈部分6设计成波纹型，以增加叶片结构强度，抗剪腹板4外圈部分7仍沿用直抗剪腹板，抗剪腹板4内圈部分6是指位于内圈叶片范围内的抗剪腹板4，抗剪腹板4外圈部分7是指位于外圈叶片范围内的抗剪腹板4，如图4所示。

以下是本发明的一个具体实施例：

101)确定风电机组叶片设计参数。在本示例性设计中针对某1.5MW风电机组叶片进行设计，其参数见表1。

表1风电叶片设计参数

102)在本示例性设计选取κ＝0.55作为叶片分界线，将风电机组叶片分为内圈叶片和外圈叶片，内圈叶片的范围从叶根到距叶根19.25米处，外圈部分从距叶根19.25米处到叶尖。

103)为叶片内圈和外圈分别选择翼型。在设计过程中将风电机组叶片沿展向分成多个截面布置翼型。5％～7％叶片半径范围内是相对厚度为100％的圆柱状叶根；7％～25％半径范围内由圆柱逐渐向翼型过渡，相对厚度100～33％；25％～40％半径范围内采用相对厚度33％的S系列翼型，40％～55％半径范围内采用相对厚度30％的S系列翼型；55％～75％半径范围内采用相对厚度24％的S系列翼型；75％半径至叶尖采用相对厚度为16的S系列翼型。其中，叶片最大弦长位置2位于25％半径位置。

104)进行气动设计计算和优化：本示例性设计中采用Glauert方法进行气动外形计算，然后采用PROPI进行迭代优化，得出叶片气动外形如表2所示。

表2叶片气动设计结果

截面距叶根距离(m)	扭角(°)	弦长(m)
			0	10.5	1.89
1.75	10.5	1.95
			5.25	10.5	2.60
7	10.5	2.80
			8.75	8.6	2.68
10.5	6.7	2.53
			12.25	5.8	2.40
14	4.3	2.26

15.75	3.1	2.11
			17.5	2.8	1.96
19.25	2.2	1.79
			21	1.8	1.62
22.75	1.3	1.45
			24.5	1.0	1.28
26.25	0.9	1.11
			28	0.8	0.95
29.75	0.7	0.80
			33.25	0.6	0.64

105)进行叶片结构设计，抗剪腹板4内圈部分6选择波纹型抗剪腹板。本示例性设计中根据叶片气动外形和载荷进行了初步结构计算，在计算中只了叶片主要承载的复合材料纤维层厚度。经计算，叶片蒙皮采用双向纤维复合材料铺层，厚度3.24mm；叶片主梁帽采用单向纤维复合材料铺层，厚度从叶根(未包含叶根的圆柱部分)到叶尖为43.35mm～8.67mm依次递减；抗剪腹板以结构系数κ为界限，位于内圈叶片范围内的抗剪腹板4采用波纹形状，位于外圈叶片范围内的抗剪腹板4采用直抗剪腹板，抗剪腹板4设计为厚度为3.24mm的双向纤维复合材料铺层。在本结构设计中未考虑夹心材料的厚度，该厚度可参考已知叶片或另行计算。本设计为初步结构设计结果，后续详细设计中需要进行有限元校核和优化。

在叶片设计中，本发明充分考虑叶片结构和气动的相互影响及制约，在分步设计的过程中要考虑留出彼此的设计空间，便于结构和气动的合理实现。

至此，已经详细描述了根据本发明的风电叶片设计方法，为了避免遮蔽本发明的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims

1.一种考虑气动与结构平衡的风电叶片设计方法，其特征在于，它包括以下步骤：

设定一结构系数κ，叶片结构系数κ定义为：

κ = \frac{r - l_{1}}{L}

5)进行风电机组叶片主梁结构设计：抗剪腹板(4)和主梁帽(5)构成风电机组叶片主梁，风电机组叶片外形由蒙皮(3)构成；

在对主梁帽(5)进行设计时，根据抗弯能力要求计算其厚度；在对抗剪腹板(4)进行设计时，抗剪腹板(4)内圈部分(6)设计成波纹型，以增加叶片结构强度，抗剪腹板(4)外圈部分(7)仍沿用直抗剪腹板，抗剪腹板(4)内圈部分(6)是指位于内圈叶片范围内的抗剪腹板(4)，抗剪腹板(4)外圈部分(7)是指位于外圈叶片范围内的抗剪腹板(4)。

2.根据权利要求1所述的一种考虑气动与结构平衡的风电叶片设计方法，其特征在于，所述相对厚度为30％～50％的翼型为钝后缘翼型。

3.根据权利要求1所述的一种考虑气动与结构平衡的风电叶片设计方法，其特征在于，采用葛劳渥方法或维尔森方法进行气动外形的计算及优化。