CN103514308B - 设计风力发电机叶片的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种设计风力发电机叶片的方法和装置，该方法包括：获取风力发电机的叶片设计目标；根据叶片设计目标进行初步计算得出收敛的叶片载荷；利用收敛的叶片载荷使用遗传迭代算法进行叶片优化设计，得到叶片设计数据；对叶片设计数据按照预设的载荷和刚度条件进行筛选，并保存符合要求的叶片设计数据；按照预设的排序条件对符合要求的叶片设计数据进行排序，根据排序优先的叶片设计数据生成叶片设计图纸。从而将风力发电机叶片的设计过程有针对性的进行前期初步设计和后期的详细优化，实现先粗后细的设计流程，减小了计算量和计算时间，综合考虑了气动设计、载荷计算和结构设计中的性能要求，避免了追求单一目标所产生的优化结果不匹配。
Description
技术领域
本发明涉及发电机领域，具体而言，涉及一种设计风力发电机叶片的方法和装置。
背景技术
叶片是风力发电机组的一个核心部件，叶片的好坏直接决定着风力发电机的发电量、重量、可靠性等一系列关键的参数。随着风机尺寸的逐渐增大，叶片的设计也变得越加复杂。
叶片设计是一项跨学科的系统项目，涉及了空气动力学，复合材料及力学，流体力学，载荷计算等多个领域。叶片需要经过细致的设计以便实现付出最小的成本获得最大的输出效率。从而叶片设计过程需要获得气动设计和结构效率的最合理的平衡。但是气动外形对载荷有影响，进一步反馈到结构设计上，如果气动设计的结果超出了结构所能承受的范围，就需要重新修正，相应的效率也要被重新计算。现有风机叶片设计行业内，叶片设计一般分为气动设计、结构设计以及载荷计算三个模块。其中，
气动设计，该过程中的设计目标包括：功率系数，年发电量，叶尖速度，叶尖速比等叶片参数。目前普遍采用动量叶素理论或其修正版本进行设计。在此过程中，不涉及对叶片的结构或者载荷计算的考量。
载荷计算，该过程采用气动设计和结构设计的结果对叶片进行载荷仿真。目前普遍采用成熟的Bladed、Flex、FAST等仿真商业软件进行。由于该过程只能根据设计结果进行仿真得出结果，不能由仿真结果可逆得出相应风机的气动外形和结构。因此，载荷计算并没有集成到叶片的气动设计和结构设计过程中。
结构设计，该过程中的设计目标为：叶片的质量、刚度、强度等结构参数，目前普遍采用复合材料力学理论进行设计。
图1是根据现有技术的设计风力发电机叶片的方法的示意图，如图1所示，现有技术中设计风力发电机叶片的方法包括：首先利用动量叶素理论计算生成叶片的气动外形，根据该气动外形结合根据经验预估得到的叶片结构参数使用仿真软件进行载荷计算，根据载荷计算的结果对上述叶片结构参数进行修正，对比修正前后的叶片结构参数以判断叶片结构的数据是否收敛，如果叶片结构数据收敛，则保存修正后的叶片结构参数，如果叶片结构数据不收敛，利用修正后的叶片结构参数进行下一循环的叶片设计。最终，在修正后的叶片结构数据中进行筛选最优方案。
上述设计方法从技术方面主要存在以下缺陷：
叶片设计的过程始终使用同一计算流程进行，缺少优化流程，计算量大但效果一般。
气动设计、结构设计、载荷计算三个设计过程相对独立，优化的目标不统一。
载荷计算过程需要将设计人员导入气动外形数据和叶片结构数据，计算周期长，单一的仿真过程无法与气动设计和结构设计有效集成。
载荷计算需要输入气动设计和结构设计的相关数据，然后根据载荷计算的结果对结构进行优化，在下一轮设计过程中，就出现了气动设计和结构设计版本不匹配的问题，也就是说载荷仿真输入的参数是本轮气动设计和上一轮结构设计结果的相关数据。例如，第N次循环的载荷采用的参数为第N次循环中气动设计的数据和第（N-1）轮的结构设计的相关数据，从而本次循环的计算结果需要依靠经验判断，设计效果不理想。
针对现有技术中设计叶片的方法缺少对数据的优化流程导致计算量大的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明旨在提供一种设计风力发电机叶片的方法和装置，以解决现有技术中设计叶片的方法缺少对数据的优化流程导致计算量大的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种设计风力发电机叶片的方法。
本发明提供的设计风力发电机叶片的方法包括：获取风力发电机的叶片设计目标；根据叶片设计目标进行初步计算得出收敛的叶片载荷；利用收敛的叶片载荷使用遗传迭代算法进行叶片优化设计，得到叶片设计数据；对叶片设计数据按照预设的载荷和刚度条件进行筛选，并保存符合要求的叶片设计数据；按照预设的排序条件对符合要求的叶片设计数据进行排序，根据排序优先的叶片设计数据生成叶片设计图纸。
进一步地，利用收敛的叶片载荷使用遗传迭代算法进行叶片优化设计包括：随机生成叶片的气动外形；根据气动外形和收敛的叶片载荷对叶片的结构参数进行遗传迭代计算；对叶片的结构参数进行载荷仿真计算以得到叶片设计数据。
进一步地，随机生成叶片的气动外形之后还包括：判断气动外形是否符合预设的气动结构条件；当气动外形不符合预设的气动结构条件时，重新随机生成叶片的气动外形。
进一步地，保存符合要求的叶片设计数据之后还包括：判断迭代次数是否达到预设的次数；如果迭代次数小于预设的次数，重新随机生成叶片的气动外形，并利用已经保存的叶片设计数据进行遗传迭代运算。
进一步地，按照预设的排序条件对符合要求的叶片设计数据进行排序包括：按照下列条件中的至少一项对符合要求的叶片设计数据进行排序：叶片的载荷大小、叶片的质量大小、风力发电机发电量大小。
进一步地，对叶片的结构参数进行载荷仿真计算包括：将气动外形的数据和叶片的结构参数转换为载荷计算软件的输入格式；将转换格式后的气动外形的数据和叶片的结构参数输入载荷计算软件；调用载荷计算软件进行载荷计算。
根据本发明的另一个方面，提供了一种设计风力发电机叶片的装置，该设计风力发电机叶片的装置包括：设计目标获取模块，用于获取风力发电机的叶片设计目标；初步设计模块，用于根据叶片设计目标参数进行初步计算得出收敛的叶片载荷；优化设计模块，用于利用收敛的叶片载荷使用遗传迭代算法进行叶片优化设计，得到叶片设计数据；数据筛选模块，用于对叶片设计数据按照预设的载荷和刚度条件进行筛选，并保存符合要求的叶片设计数据；图纸生成模块，用于按照预设的排序条件对符合要求的叶片设计数据进行排序，根据排序优先的叶片设计数据生成叶片设计图纸。
进一步地，优化设计模块包括：气动外形生成子模块，用于随机生成叶片的气动外形；遗传迭代运算子模块，用于根据气动外形和收敛的叶片载荷对叶片的结构参数进行遗传迭代计算；载荷仿真子模块，用于对叶片的结构参数进行载荷仿真计算以得到叶片设计数据。
进一步地，本发明提供的设计风力发电机叶片的装置还包括：遗传结束判断模块，用于判断迭代次数是否达到预设的次数。
应用本发明的技术方案，本发明实施例设计风力发电机叶片的方法包括：获取风力发电机的叶片设计目标；根据叶片设计目标进行初步计算得出收敛的叶片载荷；利用收敛的叶片载荷使用遗传迭代算法进行叶片优化设计，得到叶片设计数据；对叶片设计数据按照预设的载荷和刚度条件进行筛选，并保存符合要求的叶片设计数据；按照预设的排序条件对符合要求的叶片设计数据进行排序，根据排序优先的叶片设计数据生成叶片设计图纸。将风力发电机叶片的设计过程分为初步设计和优化设计两步，有针对性的进行前期初步设计和后期的详细优化，从而实现先粗后细的设计流程，减小了计算量和计算时间，综合考虑了气动设计、载荷计算和结构设计中的性能要求，避免了追求单一目标所产生的优化结果不匹配问题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据现有技术的设计风力发电机叶片的方法的示意图；
图2是根据本发明实施例的设计风力发电机叶片的装置的示意图；
图3是根据本发明实施例的设计风力发电机叶片的方法的示意图；
图4是根据本发明实施例的设计风力发电机叶片的方法的流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明实施例提供了一种设计风力发电机叶片的方法和装置，图2是根据本发明实施例的设计风力发电机叶片的装置的示意图，如图2所示，本发明实施例的设计风力发电机叶片的装置包括：设计目标获取模块11，用于获取风力发电机的叶片设计目标；初步设计模块12，用于根据所述叶片设计目标参数进行初步计算得出收敛的叶片载荷；优化设计模块13，用于利用收敛的叶片载荷使用遗传迭代算法进行叶片优化设计，得到叶片设计数据；数据筛选模块14，用于对叶片设计数据按照预设的载荷和刚度条件进行筛选，并保存符合要求的叶片设计数据；图纸生成模块15，用于按照预设的排序条件对符合要求的叶片设计数据进行排序，根据排序优先的叶片设计数据生成叶片设计图纸。
本发明实施例的设计风力发电机叶片的装置利用设计目标获取模块11自动获取叶片的设计目标，通过初步设计模块12和优化设计模块13将风力发电机叶片的设计过程分为初步设计和优化设计两步，有针对性的进行前期初步设计和后期的详细优化，从而实现先粗后细的设计流程。其中初步设计模块12可以使用类似现有技术的方法，通过对叶片的结构数据进行是否收敛的判断，但判断的依据比现有技术放宽，从而减小计算量，初步设计模块12将收敛的叶片载荷提供给优化设计模块13，后续的数据的优化过程由优化设计模块13进行。
其中，优化设计模块13具体可以包括：气动外形生成子模块，用于随机生成叶片的气动外形；遗传迭代运算子模块，用于根据所述气动外形和所述收敛的叶片载荷数据对叶片的结构参数进行遗传迭代计算；载荷仿真子模块，用于对所述叶片的结构参数进行载荷仿真计算以得到叶片设计数据。
气动外形生成子模块随机从气动数据库中生成一定数量的气动外形，为了避免生成的气动外形太极端造成后续设计出的叶片结构明显无法实现，该气动外形生成子模块还可以在随机生成叶片的气动外形之后，判断生成的气动外形是否符合预设的气动结构条件；当气动外形不符合预设的气动结构条件时，重新随机生成叶片的气动外形。预设的气动结构条件可以包括该气动外形是否满足功率系数Cp、年发电量AEP以及额定风速Vr，并保证主梁厚度分布和蒙皮厚度分布在合理的数值区间内，以上判断条件和分布数值区间可以根据风力发电机的设计目标预先设定。
本发明实施例的设计风力发电机叶片的装置还可以包括遗传结束判断模块，在经过数据筛选模块14的数据筛选后，该遗传结束判断模块用于判断遗传计算过程是否已经结束，即迭代次数是否达到预设的次数，如果遗传计算过程未结束，则由优化设计模块13重新随机生成叶片的气动外形，并利用已经保存的叶片设计数据进行遗传迭代运算。如果遗传计算过程结束，则输出叶片的最终设计结果。
在输出叶片的最终设计结果后，图纸生成模块15对符合要求的叶片设计数据进行排序，具体的排序条件可以包括叶片的载荷大小、叶片的质量大小、风力发电机发电量大小中的一项或几项，比如针对上述条件设定不同的加权值，根据加权累加运算的结果进行排序。
载荷仿真子模块的工作流程具体可以包括：将气动外形的数据和叶片的结构参数转换为载荷计算软件的输入格式；将转换格式后的气动外形的数据和叶片的结构参数输入载荷计算软件；调用载荷计算软件进行载荷计算。从而实现自动调用载荷计算软件进行载荷计算，解决了现有技术中载荷计算由设计人员手工导入气动外形数据和叶片结构数据，计算周期长，使载荷仿真过程与气动设计和结构设计有效集成，统一了优化目标。
本发明实施例还提供了一种设计风力发电机叶片的方法，该方法可以通过本发明上述实施例所提供的任一种设计风力发电机叶片的装置来执行，图3是根据本发明实施例的设计风力发电机叶片的方法的示意图，如图3所示，该方法包括以下步骤：
步骤S11，获取风力发电机的叶片设计目标；
步骤S12，根据叶片设计目标进行初步计算得出收敛的叶片载荷；
步骤S13，利用收敛的叶片载荷使用遗传迭代算法进行叶片优化设计，得到叶片设计数据；
步骤S14，对叶片设计数据按照预设的载荷和刚度条件进行筛选，并保存符合要求的叶片设计数据；
步骤S15，按照预设的排序条件对符合要求的叶片设计数据进行排序，根据排序优先的叶片设计数据生成叶片设计图纸。
本实施例的设计风力发电机叶片的方法的设计过程分为初步设计和优化设计两步，有针对性的进行前期初步设计和后期的详细优化，从而实现先粗后细的设计流程。其中初步设计过程可以使用类似现有技术的方法，通过对叶片的结构数据进行是否收敛的判断，但判断的依据比现有技术放宽，从而减小计算量，数据的优化过程由优化设计进行。
其中，步骤S13具体可以包括：随机生成叶片的气动外形；根据所述气动外形和所述收敛的叶片载荷对叶片的结构参数进行遗传迭代计算；对所述叶片的结构参数进行载荷仿真计算以得到叶片设计数据。步骤S13中对步骤S12得出的收敛载荷进行校核，效率更高。
从气动数据库中生成一定数量的气动外形，为了避免生成的气动外形太极端造成后续设计出的叶片结构明显无法实现，在随机生成叶片的气动外形之后，还可以包括：判断生成的气动外形是否符合预设的气动结构条件；当气动外形不符合预设的气动结构条件时，重新随机生成叶片的气动外形。预设的气动结构条件可以包括该气动外形是否满足功率系数Cp、年发电量AEP、额定风速Vr、主梁厚度分布和蒙皮厚度分布的要求，以上判断条件可以根据风力发电机的设计目标预先设定。通过这一步骤，可以过滤掉不符合要求的气动外形设计，节省了后续计算的时间。
本发明实施例的设计风力发电机叶片的方法在步骤S14之后，还可以包括判断遗传迭代是否已经结束的步骤，具体而言，判断迭代次数是否达到预设的次数，除此之外也可以人工设定其他遗传结束条件。当判断如果遗传迭代未结束，则返回执行步骤S13重新随机生成叶片的气动外形，并利用已经保存的叶片设计数据进行遗传迭代运算。如果遗传计算过程结束，则输出叶片的最终设计结果。
在输出叶片的最终设计结果后，对符合要求的叶片设计数据进行排序，具体的排序条件包括叶片的载荷大小、叶片的质量大小、风力发电机发电量大小中的一项或几项，比如针对上述条件设定不同的加权值，根据加权运算的结果进行排序。使设计出的风机叶片结构更符合设计指标。
优选地，对叶片的结构参数进行载荷仿真计算包括：将气动外形的数据和叶片的结构参数转换为载荷计算软件的输入格式；将转换格式后的气动外形的数据和叶片的结构参数输入载荷计算软件；调用载荷计算软件进行载荷计算。从而实现自动调用载荷计算软件进行载荷计算，解决了现有技术中载荷计算由设计人员手工导入气动外形数据和叶片结构数据，计算周期长，使载荷仿真过程与气动设计和结构设计有效集成，统一了优化目标。
从而本实施例的设计风力发电机叶片的方法，通过采用将叶片气动设计、结构设计和载荷计算程序化，通过程序自动调用相关模块，实现设计、输出的自动化。图4是根据本发明实施例的设计风力发电机叶片的方法的流程图，该流程图基于一个兆瓦级风力发电机的叶片设计过程，如图所示，该方法具体流程为：
获取风力发电机的设计要求，确定叶片的目标参数，包括叶片的长度、额定风速等。
进行初步设计，通过初步气动设计、初步载荷计算、初步结构设计，判断结构数据是否收敛，如果不收敛进行反复迭代计算，最终获得收敛后的叶片载荷，为优化设计中的强度校核步骤提供载荷数据。判断结构数据是否收敛的依据为看本次迭代后结构数据与迭代前的结构数据的差值是否小于预定量。
进行优化设计，通过遗传迭代算法随机生成气动外形；
判断气动外形是否符合结构判据，排除不合格的气动外形，气动外形的结构判据包括功率系数Cp、年发电量AEP、额定风速Vr、主梁厚度分布和蒙皮厚度分布等。
根据上述气动外形和初步设计中得到的收敛的叶片载荷对叶片的结构参数进行遗传迭代计算，计算叶片各截面需要的材料分布和相关结构参数以及强度校核，主要计算的数据包括：主梁帽厚度、蒙皮厚度，从而可以得到叶片各截面的刚度、质心位置和面质量，将得到的数据转换为载荷计算软件的输入格式，作为载荷计算的输入参数。
调用载荷计算软件，对一些关键工况进行计算，输出载荷仿真结果。此处的关键工况包括DLC1.3，DLC1.5，DLC1.6和DLC1.7。与初步设计时所有工况全部计算不同，这里只需模拟上述几个关键工况，因为极限载荷大多出现在上述工况。
对载荷计算的结果进行筛选，排除一些载荷和刚度不满足要求的个体，比如针对不同叶片，叶根的极限弯矩有特定要求。另外，叶片的刚度要满足叶片的最小净空，即为保证叶片和塔筒见的安全距离，叶片的变形不宜过大。
保存符合要求的个体，
判断遗传计算优化是否已经结束，根据判断结果继续下一轮的优化或优化结束。
遗传迭代的算法具体流程可以为包括：首先随机生成30个符合上述气动和结构要求的个体，并进行后续的结构计算和载荷、刚度校核，得到若干个完全符合要求的个体，这些个体被保存并记录，这标志着第一代计算结束。这些完全符合要求的个体再一次进行杂交，直到产生27个满足气动和结构要求的个体，同时再随机生成3个满足气动要求和结构要求的个体，这些组成了第二代，随机生成3个的原因是保持种群多样性，避免内部杂交导致最终出现过多雷同或者重复的结果。第二代继续重复这第一代进行的计算和迭代，以此类推，直到第三十代，所有完全符合要求的个体都被保存，并根据预先设定好的过滤条件进行排序。每次迭代取优去次，使得结果不断趋于优化，最终获得最优解。
对符合要求的设计方案个体进行排序，排序条件可自行设定。排序的具体方法是，分别为叶片的载荷、叶片的质量、风力发电机发电量设定不同的加权值，将上述参数按照加权值进行加权叠加运算得出每个个体的加权计算值，根据加权运算的结果进行排序，最优的设计方案为加权值最高的个体。通过排序使设计出的风机叶片结构更符合设计指标。最终将排序优先的一项或几项生成叶片图纸，并进行输出。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：本发明实施例设计风力发电机叶片的方法包括：获取风力发电机的叶片设计目标；根据叶片设计目标进行初步计算得出收敛的叶片载荷；利用收敛的叶片载荷使用遗传迭代算法进行叶片优化设计，得到叶片设计数据；对叶片设计数据按照预设的载荷和刚度条件进行筛选，并保存符合要求的叶片设计数据；按照预设的排序条件对符合要求的叶片设计数据进行排序，根据排序优先的叶片设计数据生成叶片设计图纸。将风力发电机叶片的设计过程分为初步设计和优化设计两步，有针对性的进行前期初步设计和后期的详细优化，从而实现先粗后细的设计流程，减小了计算量和计算时间，综合考虑了气动设计、载荷计算和结构设计中的性能要求，避免了追求单一目标所产生的优化结果不匹配问题。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种设计风力发电机叶片的方法，其特征在于，包括：
获取风力发电机的叶片设计目标；
根据所述叶片设计目标进行初步计算得出收敛的叶片载荷；
利用所述收敛的叶片载荷使用遗传迭代算法进行叶片优化设计，得到叶片设计数据；
对所述叶片设计数据按照预设的载荷和刚度条件进行筛选，并保存符合要求的叶片设计数据；
按照预设的排序条件对所述符合要求的叶片设计数据进行排序，根据排序优先的叶片设计数据生成叶片设计图纸，
其中，利用所述收敛的叶片载荷使用遗传迭代算法进行叶片优化设计包括：
随机生成叶片的气动外形；
根据所述气动外形和所述收敛的叶片载荷对叶片的结构参数进行遗传迭代计算；
对所述叶片的结构参数进行载荷仿真计算以得到叶片设计数据，
其中，保存符合要求的叶片设计数据之后还包括：
判断迭代次数是否达到预设的次数；
如果迭代次数小于预设的次数，重新随机生成叶片的气动外形，并利用已经保存的叶片设计数据进行遗传迭代运算。
2.根据权利要求1所述的设计风力发电机叶片的方法，其特征在于，随机生成叶片的气动外形之后还包括：
判断所述气动外形是否符合预设的气动结构条件；
当所述气动外形不符合预设的气动结构条件时，重新随机生成叶片的气动外形。
3.根据权利要求1或2所述的设计风力发电机叶片的方法，其特征在于，按照预设的排序条件对所述符合要求的叶片设计数据进行排序包括：
按照下列条件中的至少一项对所述符合要求的叶片设计数据进行排序：叶片的载荷大小、叶片的质量大小、风力发电机发电量大小。
4.根据权利要求1或2所述的设计风力发电机叶片的方法，其特征在于，对所述叶片的结构参数进行载荷仿真计算包括：
将所述气动外形的数据和所述叶片的结构参数转换为载荷计算软件的输入格式；
将转换格式后的所述气动外形的数据和所述叶片的结构参数输入载荷计算软件；
调用所述载荷计算软件进行载荷计算。
5.一种设计风力发电机叶片的装置，其特征在于，包括：
设计目标获取模块，用于获取风力发电机的叶片设计目标；
初步设计模块，用于根据所述叶片设计目标参数进行初步计算得出收敛的叶片载荷；
优化设计模块，用于利用所述收敛的叶片载荷使用遗传迭代算法进行叶片优化设计，得到叶片设计数据；
数据筛选模块，用于对所述叶片设计数据按照预设的载荷和刚度条件进行筛选，并保存符合要求的叶片设计数据；
图纸生成模块，用于按照预设的排序条件对所述符合要求的叶片设计数据进行排序，根据排序优先的叶片设计数据生成叶片设计图纸，
其中，所述优化设计模块包括：
气动外形生成子模块，用于随机生成叶片的气动外形；
遗传迭代运算子模块，用于根据所述气动外形和所述收敛的叶片载荷对叶片的结构参数进行遗传迭代计算；
载荷仿真子模块，用于对所述叶片的结构参数进行载荷仿真计算以得到叶片设计数据。
6.根据权利要求5所述的设计风力发电机叶片的装置，其特征在于，还包括：遗传结束判断模块，用于判断迭代次数是否达到预设的次数。
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