CN105868470A - 一种风力机翼型与叶片外形参数一体化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风力机翼型与叶片外形参数一体化设计方法，以三维叶片泛函集成表达式为出发点，此表达式将翼型参数表达及叶片三维形状表达集成于一体，能够很好的实现翼型与叶片并行设计；然后分别建立翼型设计模块和叶片气动外形设计模块，这两个模块之间通过气动力插值实现数据的传递机制；最后，采用MATLAB语言编制并行设计策略，制定收敛策略，若满足收敛条件则输出新翼型族及叶片气动外形数据，否则，返回开始程序。本发明突破传统的风力机叶片串行设计方法，基于叶片三维集成数学表达方程，将翼型廓线与叶片气动外形参数联立起来，通过MATLAB并行计算程序，实现翼型与叶片并行优化设计方法。

Description

一种风力机翼型与叶片外形参数一体化设计方法
技术领域
本发明属于风力机翼型及叶片形状设计技术领域，涉及一种采用并行计算进行风力机翼型与叶片外形参数一体化设计新方法。
背景技术
对于风力机翼型及叶片形状设计方面的研究，目前国内外大多针对特定的风力机翼型所构造的叶片外形参数进行局部改良和修型，以获得较高的性能。丹麦实验室的Peter Fuglsang考虑叶片的年发电量、极端载荷以及疲劳强度，以风力机单位发电量成本为目标函数，对某1.5MW风力机叶片进行了优化设计，优化结果表明单位发电量成本降低了3.5％。意大利学者Ernesto Benini以年发电量密度及发电成本为双目标函数，基于气动弹性模型及叶素动量理论，对失速调节型风力机叶片进行多目标优化，并得出Pareto解。2012年Kevin Maki等综合考虑能量成本、年发电量及叶片载荷等，运用多目标优化方法对风轮进行了分级优化与设计，并通过灵敏度分析对优化结果进行评价。2013年Xionwei Liu等对固定桨距角、固定风速条件下风力机进行了叶片弦长及扭角线性化处理，并对叶片弦长和扭角的斜率进行了优化设计，优化结果表明，相比原始叶片，优化后的风轮年发电量提高了3.33％，而且由于叶片弦长、扭角进行了线性斜率优化其材料及制造成本明显降低。重庆大学王旭东等基于改进的叶素动量理论，推导出了新的风力机气动载荷的计算模型，通过实验数据对比验证了该计算模型的准确性，并以叶片的弦长、扭角及厚度为设计变量，以年发电量成本作为目标函数，建立了叶片的优化设计数学模型，应用该模型对某2MW风轮进行了优化设计。上述资料从不同方面对风力机叶片进行了优化设计分析，通过对叶片气动外形参数进行改进与修正来提高风力机的效率，并考虑了气动载荷、叶片质量、发电量成本等多学科因素，取得了较好的效果。但大都是基于特定的翼型，并没有将翼型与叶片外形参数(如叶片弦长、扭角及翼型沿展向分布等)结合起来并行设计与优化，难以取得突破性的进展。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种采用并行计算进行风力机翼型与叶片外形参数一体化设计新方法。
本发明所采用的技术方案是：一种风力机翼型与叶片外形参数一体化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：基于三维叶片泛函集成表达式，将翼型参数表达及叶片三维形状表达集成于一体，构建三维叶片集成表达式；
步骤2：分别建立翼型设计模块和叶片气动外形设计模块，这两个模块之间通过气动力插值实现数据的传递机制；
步骤3：并行设计；
步骤4：判断翼型设计模块中目标函数与叶片设计模块中目标函数是否收敛；
若否，则回转执行所述步骤1；
若是，则输出新翼型族及叶片气动外形数据。
作为优选，步骤1中所述三维叶片集成表达式为：
其中，x为翼型横坐标，y为翼型纵坐标，z为空间三维叶片沿展向坐标；a为1/4翼型弦长；R为叶片半径，r为翼型矢径；XM为翼型气动中心展向位置；u为叶片展向位置，u∈[0,1]；c(u)为弦长分布函数；β(u)为扭角分布函数；
所述三维叶片集成表达式能表征任意可能的叶片几何形状的集成：即集成叶片的空间坐标翼型分布、叶片弦长分布、叶片扭角分布。
作为优选，步骤2中采用泛函集成理论作为翼型设计模块，其具体实现包括以下子步骤：
步骤A1：确定翼型集成公式；
式中，x为翼型横坐标，y为翼型纵坐标；r为翼型的矢径；为翼型控制方程函数；ak、bk为系数，θ为幅角，a为1/4翼型弦长；
步骤A2：确定目标函数；
以各翼型最大升阻比作为翼型设计模块目标函数，以光滑条件下升阻比最大为目标函数之一：
f1(x)＝max(CL/CD)；
其中CL为升力系数，CD为阻力系数；
步骤A3：确定设计变量；
选取翼型控制方程函数的第1到第8项系数作为优化设计的变量，确定设计变量为：
X1＝(a1,b1,a2,b2,a3,b3,a4,b4)；
步骤A4：确定约束条件；
对翼型控制方程函数前8项系数进行约束，其约束条件如表1：
表1设计变量范围
对翼型最大相对厚度进行约束，其最大相对厚度分别约束在40％、35％、30％、25％、21％、18％及15％。
作为优选，步骤2中所述叶片气动外形设计模块，其具体实现包括以下子步骤：
步骤B1：基于动量叶素理论，确定功率系数；
Y1＝4Fsin2φ/(σCnF1)；
Cn＝Cl cosφ+Cd sinφ；
Y2＝4Fsinφcosφ/(σCt F1)；
Ct＝Cl sinφ-Cd cosφ；
σ＝Bc/(2πr)；
式中，λ为叶尖速比；R为风轮半径；a为轴向诱导因子，a’为周向诱导因子；Cn为 法向力系数；Ct为径向力系数；B为叶片个数；c为叶片某截面弦长；r为叶片某截面半径；φ为叶素入流角；
步骤B2：确定目标函数；
以风力机功率系数最大作为叶片气动外形设计目标函数：
F1(X)＝max(CP)；
步骤B3：确定设计变量；
选取叶片的弦长、扭角作为设计变量；采用样条曲线控制点作为设计变量点，弦长和扭角各8个；
步骤B4：确定约束条件；
其约束条件如表2：
表2设计变量的约束范围
作为优选，步骤3中所述并行设计，其具体实现包括以下子步骤：
步骤3.1：编制三维叶片集成表达主程序；
步骤3.2：编制两个子程序模块，分别为翼型设计模块和叶片外形设计模块；采用MATLAB自带优化算法进行子程序优化；
步骤3.3：基于动量叶素理论编制气动力插值程序，将优化中的翼型气动力插值到叶片外形中，实现气动力耦合传递机制，变化的翼型产生变化的气动力，从而又影响叶片外形；
步骤3.4：开启Matlab并行计算环境：
步骤3.5：在优化过程中，采用Farfor循环语句与向量化代码实现并行加速，用了parfor之后，输出参数用nargout确定。
作为优选，步骤4中所述判断翼型设计模块中目标函数与叶片设计模块中目标函数是否收敛，是判断翼型设计模块中目标函数与叶片设计模块中目标函数是否达到极大值。
本发明专利的有益效果：
(1)本发明突破传统的风力机叶片串行设计方法，基于叶片三维集成数学表达方程，将翼型廓线与叶片气动外形参数联立起来，通过MATLAB并行计算程序，实现翼型与叶片并行优化设计方法。
(2)通过并行优化设计，优化得到了7种高性能翼型族及一款新型风力机叶片，该翼型族及叶片可取代现有风力机翼型及叶片，为实现翼型及叶片自主研发制造奠定基础。
附图说明
图1：本发明实施例的流程图；
图2(a)：本发明实施例的新设计翼型族示意图；
图2(b)：本发明实施例的新翼型轮廓线示意图；
图3：本发明实施例的WQ-PC150翼型与NACA-64-415气动特性对比示意图，其中(a)为升力系数示意图，(b)为升阻比示意图；
图4：本发明实施例的叶片弦长分布示意图；
图5：本发明实施例的叶片扭角分布示意图；
图6：本发明实施例的功率系数分布示意图；
图7：本发明实施例的年均发电量分布示意图；
图8：本发明实施例的风力机风轮示意图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明开展风力机翼型气动性能与叶片曲面外形参数一体化设计新方法。在叶片三维曲面集成表达模型的基础上，将翼型参数化设计理论耦合到叶片三维曲面集成表征式中，基于动量叶素理论，构建耦合翼型廓线泛函气动设计与叶片曲面几何形状参数设计的数学模型，同时结合多学科优化思想，对风力机翼型与叶片曲面几何参数进行并行协同设计与优化。
请见图1，本发明提供的一种风力机翼型与叶片外形参数一体化设计方法，包括以下步骤：
步骤1：基于三维叶片泛函集成表达式，将翼型参数表达及叶片三维形状表达集成于一体，构建三维叶片集成表达式；
叶片截面形状有翼型廓线决定，再考虑沿叶片弦长、扭角沿展向分布，通过三维坐标转换获得三维叶片集成表达式为：
其中，x为翼型横坐标，y为翼型纵坐标，z为空间三维叶片沿展向坐标；a为1/4翼型弦长；R为叶片半径，r为翼型矢径；XM为翼型气动中心展向位置；u为叶片展向位置，u∈[0,1]；c(u)为弦长分布函数；β(u)为扭角分布函数；
所述三维叶片集成表达式能表征任意可能的叶片几何形状的集成：即集成叶片的空间坐标翼型分布、叶片弦长分布、叶片扭角分布。
步骤2：分别建立翼型设计模块和叶片气动外形设计模块，这两个模块之间通过气动力插值实现数据的传递机制；
相关资料已经对翼型参数化表达进行了详细的研究，本发明采用泛函集成理论作为翼型设计模块，实际上该模块已经集成到三维叶片集成表达式中，这里单独将其列出来。
其具体实现包括以下子步骤：
步骤A1：确定翼型集成公式；
式中，x为翼型横坐标，y为翼型纵坐标；r为翼型的矢径；为翼型控制方程函数；ak、bk为系数，θ为幅角，a为1/4翼型弦长；
步骤A2：确定目标函数；
由于风轮性能很大程度上取决于翼型的升阻比，因此，以各翼型最大升阻比作为翼型设计模块目标函数，在雷诺数为Re＝3.0×106，马赫数Ma＝0.15的条件下，设计攻角为6°情况下，以光滑条件下升阻比最大为目标函数之一：
f1(x)＝max(CL/CD)；
其中CL为升力系数，CD为阻力系数；
步骤A3：确定设计变量；
选取翼型控制方程函数的第1到第8项系数作为优化设计的变量，确定设计变量为：
X1＝(a1,b1,a2,b2,a3,b3,a4,b4)；
步骤A4：确定约束条件；
对翼型控制方程函数前8项系数进行约束，其约束条件如表1：
表1设计变量范围
另外，需对翼型最大相对厚度进行约束，由于本发明是对整个叶片翼型进行设计，其最大相对厚度分别约束在40％、35％、30％、25％、21％、18％及15％左右。
叶片气动外形设计模块，其具体实现包括以下子步骤：
步骤B1：基于动量叶素理论，确定功率系数；
Y1＝4Fsin2φ/(σCnF1)；
Cn＝Cl cosφ+Cd sinφ；
Y2＝4Fsinφcosφ/(σCt F1)；
Ct＝Cl sinφ-Cd cosφ；
σ＝Bc/(2πr)；
式中，λ为叶尖速比；R为风轮半径；a为轴向诱导因子，a’为周向诱导因子；Cn为法向力系数；Ct为径向力系数；B为叶片个数；c为叶片某截面弦长；r为叶片某截面半径；φ为叶素入流角；
步骤B2：确定目标函数；
对于变桨距风力机而言，风轮转速可以连续进行调节，就有可能使风力机运行在最优点 Cp，因此本发明以风力机功率系数最大作为叶片气动外形设计子目标函数：
F1(X)＝max(CP)；
步骤B3：确定设计变量；
选取叶片的弦长、扭角作为设计变量；采用样条曲线控制点作为设计变量点，弦长和扭角各8个；
步骤B4：确定约束条件；
风力机功率特性是由叶片气动外形(叶片展长、弦长及扭角等参数组成)决定的。风轮的半径定为32m，选取叶片的弦长、扭角作为设计变量。采用样条曲线控制点(弦长和扭角各8个)作为设计变量点，其约束条件如表2：
表2设计变量的约束范围
步骤3：并行设计；
利用MATLAB并行计算模块将翼型设计模块与叶片外形设计模块结合起来进行并行优化设计，加快迭代速度，减少计算运行时间。
以三维叶片集成表达程序为MATLAB进程主节点，翼型设计模块及叶片外形设计模块为两个子节点。优化设计过程中，利用Parfor循环来实现迭代过程。具体过程如下：
(1)编制三维叶片集成表达主程序；
(2)再编制两个子程序模块，分别为翼型设计模块和叶片外形设计模块。采用MATLAB自带优化算法进行子程序优化；
(3)编制气动力插值程序，将优化中的翼型气动力插值到叶片外形中，实现气动力耦合传递机制，变化的翼型产生变化的气动力，从而又影响叶片外形。
(4)开启Matlab并行计算环境：
CoreNum＝2；％设定机器CPU核心数量，我的机器是双核，所以CoreNum＝2
if matlabpool('size')<＝0％判断并行计算环境是否已然启动
matlabpool('open','local',CoreNum)；％若尚未启动，则启动并行环境
else
disp('Already initialized')；％说明并行环境已经启动。
end
(5)在优化过程中，采用Farfor循环语句与向量化代码实现并行加速，用了parfor之后，输出参数用nargout确定。
步骤4：判断翼型设计模块中目标函数与叶片设计模块中目标函数是否达到极大值；
若否，则回转执行所述步骤1；
若是，则输出新翼型族及叶片气动外形数据。
本实施例采用MATLAB自带的fmincom函数来实现优化，在优化过程中插入并行计算模块，采用Farfor循环不断迭代，最终优化设计出7组翼型族，分别取名为WQ-PC150、WQ-PC180、WQ-PC210、WQ-PC250、WQ-PC300、WQ-PC350及WQ-PC400翼型族。其新设计翼型族和翼型族廓线如图2(a)和(b)所示。
选取WQ-PC150翼型与相当厚度的风力机翼型NACA-64-415在相同条件下(Re＝6×106，Ma＝0.15)的气动性能对比分析(如图3所示)。由图可知，在主要攻角范围内，无论是粗糙条件还是光滑条件，新翼型的升力系数和升阻比都比NACA-64-415翼型的要高。说明采用一体化设计思路设计出来的新翼型具有较高的气动性能。
在得到翼型族的同时，通过并行计算，也优化出了叶片气动外形参数，如图4和5所示，为叶片沿展向弦长分布及扭角分布。
为了证明优化出来了新叶片具有较高的发电性能，将优化叶片与Tjaere型实验叶片做功率特性及发电量性能对比(如图6和7)。由图6可知，通过并行优化出来的新叶片在叶尖速比范围为6～12时的功率系数要明显大于Tjaere型叶片，其主要原因是高性能的翼型族及叶片弦长、扭角分布不同。由图6可知，在额定风速内(V≤12.5m/s)，新叶片年发电量分布相比Tjaere型叶片有了较大的提高。
图8为通过三维软件绘制出来的新型风力机叶片效果图，由图可知，该新型叶片表面光滑，这对叶片流场分布及载荷分布有益，同时也便于加工制造。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种风力机翼型与叶片外形参数一体化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：基于三维叶片泛函集成表达式，将翼型参数表达及叶片三维形状表达集成于一体，构建三维叶片集成表达式；
步骤2：分别建立翼型设计模块和叶片气动外形设计模块，这两个模块之间通过气动力插值实现数据的传递机制；
步骤3：并行设计；
步骤4：判断翼型设计模块中目标函数与叶片设计模块中目标函数是否收敛；
若否，则回转执行所述步骤1；
若是，则输出新翼型族及叶片气动外形数据。
2.根据权利要求1所述的风力机翼型与叶片外形参数一体化设计方法，其特征在于，步骤1中所述三维叶片集成表达式为：
其中，x为翼型横坐标，y为翼型纵坐标，z为空间三维叶片沿展向坐标；a为1/4翼型弦长；R为叶片半径，r为翼型矢径；XM为翼型气动中心展向位置；u为叶片展向位置，u∈[0,1]；c(u)为弦长分布函数；β(u)为扭角分布函数；
所述三维叶片集成表达式能表征任意可能的叶片几何形状的集成：即集成叶片的空间坐标翼型分布、叶片弦长分布、叶片扭角分布。
3.根据权利要求1所述的风力机翼型与叶片外形参数一体化设计方法，其特征在于，步骤2中采用泛函集成理论作为翼型设计模块，其具体实现包括以下子步骤：
步骤A1：确定翼型集成公式；
式中，x为翼型横坐标，y为翼型纵坐标；r为翼型的矢径；为翼型控制方程函数；ak、bk为系数，θ为幅角，a为1/4翼型弦长；
步骤A2：确定目标函数；
以各翼型最大升阻比作为翼型设计模块目标函数，以光滑条件下升阻比最大为目标函数之一：
f1(x)＝max(CL/CD)；
其中CL为升力系数，CD为阻力系数；
步骤A3：确定设计变量；
选取翼型控制方程函数的第1到第8项系数作为优化设计的变量，确定设计变量为：
X1＝(a1,b1,a2,b2,a3,b3,a4,b4)；
步骤A4：确定约束条件；
对翼型控制方程函数前8项系数进行约束，其约束条件如表1：
表1 设计变量范围
对翼型最大相对厚度进行约束，其最大相对厚度分别约束在40％、35％、30％、25％、21％、18％及15％。
4.根据权利要求1所述的风力机翼型与叶片外形参数一体化设计方法，其特征在于，步骤2中所述叶片气动外形设计模块，其具体实现包括以下子步骤：
步骤B1：基于动量叶素理论，确定功率系数；
Y1＝4F sin2φ/(σCnF1)；
Cn＝Cl cosφ+Cd sinφ；
Y2＝4Fsinφcosφ/(σCt F1)；
Ct＝Cl sinφ-Cd cosφ；
σ＝Bc/(2πr)；
式中，λ为叶尖速比；R为风轮半径；a为轴向诱导因子，a’为周向诱导因子；Cn为法向力系数；Ct为径向力系数；B为叶片个数；c为叶片某截面弦长；r为叶片某截面半径；Φ为叶素入流角；
步骤B2：确定目标函数；
以风力机功率系数最大作为叶片气动外形设计目标函数：
F1(X)＝max(CP)；
步骤B3：确定设计变量；
选取叶片的弦长、扭角作为设计变量；采用样条曲线控制点作为设计变量点，弦长和扭角各8个；
步骤B4：确定约束条件；
其约束条件如表2：
表2 设计变量的约束范围
5.根据权利要求1所述的风力机翼型与叶片外形参数一体化设计方法，其特征在于，步骤3中所述并行设计，其具体实现包括以下子步骤：
步骤3.1：编制三维叶片集成表达主程序；
步骤3.2：编制两个子程序模块，分别为翼型设计模块和叶片外形设计模块；采用MATLAB自带优化算法进行子程序优化；
步骤3.3：基于动量叶素理论编制气动力插值程序，将优化中的翼型气动力插值到叶片外形中，实现气动力耦合传递机制，变化的翼型产生变化的气动力，从而又影响叶片外形；
步骤3.4：开启Matlab并行计算环境：
步骤3.5：在优化过程中，采用Farfor循环语句与向量化代码实现并行加速，用了parfor之后，输出参数用nargout确定。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的风力机翼型与叶片外形参数一体化设计方法，其特征在于：步骤4中所述判断翼型设计模块中目标函数与叶片设计模块中目标函数是否收敛，是判断翼型设计模块中目标函数与叶片设计模块中目标函数是否达到极大值。
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