CN105844022A - 一种添加预应力风力机叶片的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种添加预应力风力机叶片的设计方法，其步骤为：（1）选取风力机叶片合适的基本参数，根据修正动量叶素理论计算叶片不同截面的初始气动参数，即弦长、扭角；（2）根据步骤（1）的参数，选取叶片主梁结构为盒型主梁，结合梁、壳理论计算叶片不同截面结构参数；（3）根据步骤（1）和步骤（2）的计算对叶片进行受力分析并计算得到叶片是弯曲变形和扭转变形；（4）将步骤（3）中得到的叶片变形量转换成叶片受力叠加到步骤（1）和步骤（2）中，并结合叶片气动约束和结构约束，即功率和刚度要求，重新计算气动外形和结构铺层厚度。

Description

一种添加预应力风力机叶片的设计方法

技术领域

本发明涉及一种大型风力机叶片，特别是涉及一种增加预应力风力机叶片的设计方法。

背景技术

根据全球风能理事会（GWEC）统计表明，2014年全球新增风电装机容量51.477 GW，年增长44%，创造了历史新高。根据中国可再生能源学会风能专业委员会(CWEA)的统计数据，截止到2015年，全国（除台湾地区）新增安装风电机组13121台，新增装机容量23196 MW，同比增长44.2%；累计安装风电机组同比增长25.4%。随着风能利用技术的不断提高，风力机一直向着大型化发展，国际上欧美一些国家凭借多年积累经验在风力机大型化方面仍有一定优势，但中国在加大风力机研究力度和投入后风电机组大型化研制也已迈上了一个新台阶。

目前，主流风力机容量都已是兆瓦级。在实际复杂和多变的环境下运行，大型风力机会受到多种力（气动力、弹性力以及惯性力）的耦合作用，此外，风力机叶片有时还需要在失速状态下运行，这一系列的作用会导致叶片本身产生形变并且可能因为变形和气动力之间的耦合作用出现气弹耦合振动和失速颤振，最终导致叶片断裂损毁。

随着风力机大型化，风力机叶片尺寸也逐步增大，叶片的长度增大势必导致其柔性的增大。大型风力机叶片设计时除了要保证叶片的气动性能，对叶片结构的要求更加严格。一般的叶片设计过程是把叶片的气动和结构直接剥离开来分成两个独立的部分分别进行设计，实际上，叶片的运行过程是气动力和叶片结构之间的耦合结果。叶片在运行状态会受到来流总用而产生弯曲变形和扭转变形。这些弯曲和扭转变形的存在会导致叶素受力改变使叶片运行状态脱离原有设计状态，不利于准确判断风力机叶片对风能的利用。在叶片设计时考虑增加预应力可以增加气动结构耦合效应，提高叶片设计准确性。

大型风力机叶片是风力机重要组成部分，其成本比重也很高。此外，风轮是直接捕获风能的装置，其气动性能和结构直接影响着风力机整体的性能。特别是对于大型风力机叶片柔性不断增大，风力机叶片质量一直是风力机大型化的一大限制，增加预应力叶片设计可以在保持叶片刚度和强度的同时有效减轻叶片质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种添加预应力风力机叶片的设计方法。

本发明是一种添加预应力风力机叶片的设计方法，其步骤为：

（1）选取风力机叶片合适的基本参数，根据修正动量叶素理论计算叶片不同截面的初始气动参数，即弦长、扭角；

（2）根据步骤（1）的参数，选取叶片主梁结构为盒型主梁，结合梁、壳理论计算叶片不同截面结构参数；

（3）根据步骤（1）和步骤（2）的计算对叶片进行受力分析并计算得到叶片是弯曲变形和扭转变形；

（4）将步骤（3）中得到的叶片变形量转换成叶片受力叠加到步骤（1）和步骤（2）中，并结合叶片气动约束和结构约束，即功率和刚度要求，重新计算气动外形和结构铺层厚度。

本发明与现有技术相比，具有以下明显的实质特定和显著优点：

本发明采用增加预应力设计叶片，考虑叶片静气弹条件下的弯曲变形和扭转变形，大大减小了这些变形对风力机叶片对风能利用的干扰，使叶片具有较高的风能吸收效率。

附图说明

图1给出了整个叶片设计流程，图2给出了未考虑耦合效应的叶片气动参数弦长的初始设计和考虑预应力设计值，图3给出了未考虑耦合效应的叶片气动参数弦长的初始设计和考虑预应力设计值，图4给出了未考虑耦合效应的叶片结构参数主梁铺层厚度的初始设计和考虑预应力设计值。

具体实施方式

本发明采用如下技术方案：对于风力机叶片的静气弹分析，是属于叶片气动结构耦合分析的一部分。通过分析，叶片在气动力的作用下产生变形导致工作状态偏离最佳效果。在叶片设计时，可以添加预应力方法获得好的叶片参数来避免这一影响。具体设计过程如下：

第一步，选定合适的叶片气动参数，根据风力机叶片长度沿其展向等分并得到n个截面，假定每段的长度相同。

第二步，气动参数计算，根据修正动量叶素理论（BEM）迭代求解得到叶片各个截面的气动外形参数（弦长、扭角）。同时，气动载荷可由BEM计算得到。

第三步，结构参数计算，选定合适的叶片剖面结构形式。基于梁理论把叶片简化为梁计算不同剖面位置的受力，然后根据壳理论计算剖面的几何特性和铺层厚度。在确定叶片的铺层厚度时，以叶片的强度和刚度条件作为判断依据。

第四步，静气弹计算，通过将风力机叶片简化为一弹性梁结构，在给定剖面处根据受力可计算得到指定点处的弯曲变形和扭转变形。

第五步，根据上述参数计算，构建风力机叶片预应力静气弹优化设计模型。以步骤二和步骤三中计算得到的气动参数和铺层厚度作为初始输入值，根据步骤四计算叶片受力和弯曲、扭转变形。以叶片重量和叶尖变形作为约束进行迭代优化计算，最后反馈得到优化后风力机叶片各个截面的弦长、扭角和叶片铺层厚度。

根据上述方案，考虑静气弹影响的风力机叶片一体化设计过程如下：

（1）给定风力机叶片基本设计参数，根据修正BEM理论计算叶片不同展向位置的弦长和扭角。叶片气动参数的计算直接根据常规方法计算得到；

（2）根据步骤1）中的叶片给定材料、结构等特性，按步骤1）中计算得到的气动参数计算叶片展向不同位置处的铺层厚度；

（3）通过简化叶片为一弹性梁结构，把叶片的弯曲变形转变成悬臂梁扰度。简化叶片截面为多闭室箱梁计算得到叶片的扭转变形。

对于弹性梁，根据所受气动力，给定位置处的扰度为：

，

式中表示柔度相应系数指在结构上第点处施加的单位力所引起的结构上第点的位移；表示第点处所受外力。对于盒型主梁结构叶片，其剖面简化为多闭室箱梁，盒型梁剖面的剪力流为，相对扭角的计算根据公式，

式中为第室周边中线所包围面积，为绕第室积分一周，为材料剪切弹性模量；

（4）在进行叶片设计时，步骤3）中的静态的弯曲变形和扭转变形直接转换成叶片受力反馈回叶片气动结构参数计算，通过迭代的方式就算得到优化的叶片气动结构参数。叶片所受气动力与弯曲和扭转变形之间的关系根据公式：

，

式中为气动升力，为气动阻力，为攻角，为气动中心到刚心的距离，为绕气动中心力矩。上述等式左边表示剖面所受气动里扭矩而等式右边为剖面内部剪力流产生的扭矩。

以下结合具体实例来详细说明本发明叶片的设计方法。

基于以上方法，以某一1.5 MW风力机叶片为例，进行优化设计，下表给出了风力机叶片设计的基础参数，

根据上述步骤计算得到结果如下，图2和3给出了叶片气动外形参数添加预应力设计前后对比，图4给出了叶片（主梁）铺层厚度添加预应力设计前后对比。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种添加预应力风力机叶片的设计方法，其特征在于，其步骤为：

（1）选取风力机叶片合适的基本参数，根据修正动量叶素理论计算叶片不同截面的初始气动参数，即弦长、扭角；

（2）根据步骤（1）的参数，选取叶片主梁结构为盒型主梁，结合梁、壳理论计算叶片不同截面结构参数；

（3）根据步骤（1）和步骤（2）的计算对叶片进行受力分析并计算得到叶片是弯曲变形和扭转变形；

（4）将步骤（3）中得到的叶片变形量转换成叶片受力叠加到步骤（1）和步骤（2）中，并结合叶片气动约束和结构约束，即功率和刚度要求，重新计算气动外形和结构铺层厚度。

2.根据权利要求1所述的添加预应力风力机叶片的设计方法，其特征在于步骤（1）中计算得到的叶根处的弦长和扭角的数值过大，为更贴合实际需进行修剪处理。

3.根据权利要求1所述的添加预应力风力机叶片的设计方法，其特征在于步骤（4）中­­的计算结果通常需要通过迭代的方式得到；

根据上述方法具体计算关键内容包括：

（1）叶片弯曲变形时根据以下公式计算：

，

式中C表示叶片对应截面由单位力所引起的位移，Q表示叶片对应位置的受力；

（2）叶片扭转变形用扭转角度表示根据以下公式计算：

，

式中为第室周边中线所包围面积，为绕第室积分一周，为第室内剪力流，为材料剪切弹性模量；

（3）在计算扭转角度之前先根据叶片各个截面简化为多闭室计算其剖面剪流具体公式为：

，

式中、分别为、方向剪力，、分别为对轴、轴的静矩，、分别为对轴、轴的惯性矩；

（4）根据计算得到的变形通过气动弹性平衡方程可以转换为等量的气动力，具体计算公式如下：

，

式中为气动升力，为气动阻力，为攻角，为气动中心到刚心的距离，为绕气动中心力矩，等式左边为剖面所受气动力扭矩，等式右边为剖面内部剪力流产生的扭矩；

（5）对于叶片弦长、扭角的计算根据常规方法直接计算，叶片铺层厚度计算需要涉及到叶片剖面几何特性、载荷内力、应力应变等的计算，具体计算可根据梁壳理论简化计算。