CN106503401B - 水平轴风力机叶片可适应性设计方法 - Google Patents

水平轴风力机叶片可适应性设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及水平轴风力机领域，具体涉及一种水平轴风力机叶片可适应性设计方法，包括以下步骤：步骤一，利用原型叶片建立包含不同规格型号的叶片模型库；步骤二，叶片结构和功能可适应性分析；步骤三，叶片模块化划分；步骤四，创建模块表征参数和控制参数；步骤五，模块信息量计算、叶片模块化优选和模块组合；步骤六，组合叶片的气动特性和结构特性评价。本发明针对客户需求为对叶片的升级、某功能的增加或替换或者是风机运行风场的小范围改动，只需要在原型叶片的基础上，通过替换特定模块实现小范围修改叶片参数，就可以基本满足客户定制化需求，极大地提高了设计效率。可以缩短叶片研发与制造周期，快速应对市场变化；方便重用、升级、维修。

Description

水平轴风力机叶片可适应性设计方法
技术领域
本发明涉及水平轴风力机领域，具体涉及一种水平轴风力机叶片可适应性设计方法。
背景技术
目前，随着全球对清洁能源的重视，各个国家对风能的开发力度也在逐渐增加，由于在风机的设计制造过程中需要考虑不同风场、不同的客户需求以及设计制造所需的人力、物力、财力等因素，从而导致了风机朝着的多样化、大型化、柔性化发展。风机叶片作为风电机组设计过程中最重要的部分，它的设计过程主要包括气动设计和结构设计两部分。叶片的气动设计主要目标是获得最佳的气动性能，提高风力机风能利用率，而叶片的结构设计主要目的是使叶片在满足气动要求、强度、刚度和稳定性要求的前提下使气动收益最大、成本最低并保证风力机的安全运行。由此可以看出，一款设计性能优良的叶片必须满足多项技术指标，其中某些指标会相互制约，因此，对于快速发展的风电行业来说，面对客户多样化需求或需求的多变化，风机的设计制造周期就显得过长。
因此，如何才能快速响应客户对风机产品需求的多样化和多变化是目前各个风电企业急需解决的问题。针对风机叶片的设计，考虑气动设计和结构设计是相互制约的两个过程，为避免气动设计阶段因过多考虑结构设计带来的复杂计算影响设计的可行性；或完全不考虑结构设计的情况下进行形状设计而造成的可能在结构上无法实现或达不到结构要求；现实可行的方法是先综合考虑设计结果的优化、设计难度、工程可行性和软件实现等因素，从结构设计出发，以现有经验为基础，通过一些经验公式进行粗略的结构设计，再以结构设计的初步结果为参数进行气动设计，最后用气动设计的结果来校核结构设计的合理性。这样做的带来的问题就是在叶片设计过程中不仅存在大量重复的工作，而且对每一款叶片的设计都需要从头到尾计算一遍。并且，在叶片制造的过程中也会造成大量的浪费，每一款叶片的设计制造就意味着需要设计制造一整套模具，这无疑会延长叶片的设计周期，加大叶片的设计制造成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水平轴风力机叶片可适应性设计方法，针对客户需求对叶片的升级、某功能的增加或替换或者是风机运行风场的小范围改动等需求变化不大的情况下，该方法能够克服现行风机叶片设计制造过程中存在大量重复工作和材料浪费现象，将现行的风机叶片设计方法和模块化方法相结合，在原型叶片的基础上替换叶片模块通过小范围修改叶片参数来达到适应客户新需求或需求变化的目的。
为了实现上述的目的，采用如下的技术方案。一种水平轴风力机叶片可适应性设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，建立包含不同规格型号的叶片模型库；
步骤二，叶片结构和功能可适应性分析，在传统风机设计方法的基础上利用公理设计方法分析确立叶片每一部分所具有的功能以及功能实现过程中所依靠的结构，并且实现结构以及功能的独立性分析；
步骤三，叶片模块化划分，根据可适应性分析的结果对叶片模型库所有叶片进行模块化划分，把叶片沿截面分成不同的模块段；
步骤四，创建模块表征参数和控制参数，采用表征技术理论，通过叶片模块所包含的一组参数对每个模块进行描述，通过控制参数来度量模块与模块之间的差别程度；
步骤五，模块信息量计算和模块选择，从叶片模型库中选择与设计要求相近的一款叶片做原型叶片，根据设计需求确定原型叶片和满足设计要求的叶片之间的区别之处，并以此确定加权因子；然后进行模块信息量的计算并根据计算结果选择替换模块组合成完整叶片；
步骤六，组合叶片的气动特性和结构特性评价，根据计算结果分析该叶片是否能够满足设计要求，若满足设计要求则该组合方案通过，若不满足则重新设计。
步骤一中，所述不同规格型号的叶片是指能够适应不同风速风场或具有不同输出功率的风机叶片。
步骤二中，所述叶片结构和功能可适应性分析是指：根据叶片沿展向方向不同位置处所具有的特殊结构和其所能提供的相应功能对叶片进行阶段式划分，来实现单独改变某个模块结构参数时并不会对其他模块功能产生影响，使每个模块都能够基于其独立的自身结构的基础具有独立的功能。为方便模块的划分和替换建立基础。
可适应性分析方法：
利用分级模块组织划分针对性强、产品结构清晰等优点，将叶片进行高级模块划分；根据用户需求可得到功能域与物理域之间的映射；
功能域：
FR1—风机额定功率3MW；
FR2—保证风机叶片运行可靠性，要求叶片有足够的机械强度等；
FR3—较高的风能捕获率；
FR4—保证风机的正常启动；
FR5—要符合环境保护的设计要求；
为满足FR，需要首先保证FR的独立性，其次是要保证FR和DP与最高层次的设计决策一致；
物理域：
DP1—风轮直径即叶片长度(初步估算叶片长度为40m)；
DP2—保证叶根部位的结构强度，叶片翼型要有足够的厚度比(使用大厚度比翼型)；
DP3—功率输出部分即叶中段(叶片75％附近)要有较高的升阻比、较好的气动特性(翼型的选择与布置)；
DP4—1：变桨控制；2：叶尖处翼型有较好的气动特性(控制方案的选择和叶尖翼型的选择)；
DP5—采用三叶片模式，采用降噪设计(例如：改变叶尖形状、降低叶尖载荷等)或装置等(叶片数量和降噪设计方案的选择)；
映射关系由设计方程表示：
其目的是为了分析出叶片某功能是通过叶片上的哪些结构来实现或者叶片上不同部位分别具有什么功能，以方便实现因功能的需求变化而导致的结构局部改变。
步骤三中，所述叶片模块化划分是指在叶片可适应性分析的基础上对叶片划分合理的模块，模块分为叶根模块、载荷承载模块、功率输出模块、叶尖模块；根据粒度适中原则，采用有差别粒度分级方法，对叶片进行二级模块化处理，即对叶根模块、载荷承载模块、功率输出模块、叶尖模块分别进行模块化划分；划分后的模块均具有前端面和后端面，且每个模块的前端面是前一个模块的后端面，每个模块的后端面又是后一个模块的前端面。
步骤四中，所述表征参数是指：能够对模块的外形及尺寸进行描述的参数，是把模块进行参数化处理，对叶片库中所有叶片进行模块化划分并建立表征参数化模块数据库；所述表征参数包括模块前端(靠近叶根端)截面翼型和模块后端(远离叶根端)截面翼型的弦长、扭角、相对厚度、升力系数、阻力系数、升阻比和该模块的粒度；所述控制参数是指能够反应出两个模块在外形和尺寸上相似程度，所述控制参数包括两个模块的前端(靠近叶根端)截面翼型的弦长、扭角、相对厚度、升力系数、阻力系数、升阻比的差值百分比和两个模块后端(远离叶根端)截面翼型的弦长、扭角、相对厚度、升力系数、阻力系数、升阻比的差值百分比和两个模块粒度之间的差值百分比。
所述表征参数化模块数据库：
模块M1＝(X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9...Xn，K1，K2，K3)(X1＝弦长C1，X2＝弦长C2，X3＝扭角θ1，X4＝扭角θ2，X5＝厚度比，X6＝厚度比2，X7＝攻角1，X8＝攻角2，X9＝翼型类型...Xn)
模块M2＝(X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9...Xn)
模块M3＝(X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9...Xn)
模块M4＝(X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9...Xn)
模块Mn＝(X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9...Xn)
所述控制参数：
其中xj为原型叶片某模块的一个表征参数，x表述叶片库中某一模块相对应的表征参数。
步骤五中，所述模块信息量计算是指：原型叶片中的任意一个一级模块内的二级模块与模块库中的相对应一级模块内的二级模块之间的控制参数的加权值；所述原型叶片是指：客户希望在此叶片上进行升级使其具有新的功能或者客户需要的风机其运行环境相对于原型风机只是小范围内改变。比如客户希望能使原本额定功率为2MW风场年平均风速为12m/s的风机能够在年平均风速为10m/s的风场下额定功率已然能够达到2MW。
评价函数法：
对于单个模块，其信息量表达式可表示成：
fi(x)＝u1I1+u2I2+u3I3+u4I4+u5I5+u6I6+…+ujIj
对于整体叶片，其信息量表达式可表示成：
F(x)＝w1f1(x)+w2f2(x)+w3f3(x)+w4f4(x)+…+wifi(x)
其中，u1,u2,u3,u4,u5,u6,…uj；w1,w2,w3,w4,w5,w6…wi为相应的加权因子，而加权因子u的设定是根据该表征参数对两个模块相似度的影响程度而定，其值的大小影响到选择相似模块过程中某一个表征参数所起的决定程度；加权因子w的设定是根据该模块对整体叶片某种特性影响的程度而定，其值的大小影响到该模块在对叶片产生某种特性所起的决定程度。通过原型叶片和叶片模块库中所有模块进行搜索计算信息量，再根据客户需求即其想要实现的功能或效果来调整u和w可以得到不同的F(x)值，选择具有最小信息量的叶片作为优选结果，选择其对应的模块进行组合即可得到一个完整的叶片。
步骤六中，所述组合叶片气动特性和结构特性评价是指通过专用软件(例如GHBladed)对风机模型进行计算，根据计算结果和设计要求进行对比，分析叶片是否能够满足风机功率输出要求、结构强度要求以及风机的运行状况是否正常等。
与现有技术相比，本发明针对客户需求为对叶片的升级、某功能的增加或替换或者是风机运行风场的小范围改动，只需要在原型叶片的基础上，通过替换特定模块小范围修改叶片参数，就可以得到满足设计要求的风机叶片，极大地提高了设计效率。一方面可以缩短叶片研发与制造周期，针对不同风场、不同功率需求的叶片，增加其叶片产品系列，快速应对市场变化；另一方面，可以减少或消除对环境的不利影响，方便重用、升级、维修。
附图说明
图1为本发明设计方法的流程框图；
图2为划分模块示意图；
图3为一级模块划分示意图；
图4为二级模块化划分示意图；
图5为叶片模块替换示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明对水平轴风机叶片进行气动和结构方面的可适应性分析，在分析的基础上对叶片进行模块化划分，建立模块参数化数据库。在原型叶片的基础上，通过替换特定模块小范围修改叶片参数来设计出满足客户需求的风机叶片。本发明具有适用于不同客户之间需求差别不大或同一客户新旧需求之间差别变化范围较小的情况。本发明的可适应性设计方法的流程框图如图1所示。
(1)建立包含不同规格型号的叶片模型库，由于风机资料为公司、企业机密，本发明通过利用现有的叶片设计方法设计不同功率、不同功能以及适应不同风场的3MW、2MW、2MW、1.5MW四款风机叶片，风场种类及叶片计算参数如表1～5所示，构建出简单的叶片模型库。
表1不同风场下叶片设计参数
表2四组风机叶片外形设计参数计算结果
表3叶根模块参数化数据库
表4载荷承载模块和功率输出模块参数化数据库
表5叶尖模块参数化数据库
(2)叶片结构和功能可适应性分析，在传统风机设计方法的基础上利用公理设计方法分析确立叶片每一部分所具有的功能以及功能实现过程中所依托的结构，通过对结构及功能的独立性分析，根据叶片沿展向方向不同位置处所具有的结构和其所具有的功能对叶片进行段式模块划分，来实现单独改变某个模块结构参数时并不会对其他模块功能产生影响，使每个模块都能够基于其独立的自身结构的基础具有独立的功能。
(3)如图2所示，叶片模块化划分，根据可适应性分析的结果对叶片模型库所有叶片进行模块化划分，把叶片沿截面分成不同的模块段，即叶根模块、载荷承载模块、功率输出模块、叶尖模块。一级模块划分如图3所示。并且，考虑到模块替换效果，即模块替换过程是针对同级模块范围内进行模块的替换。对叶片进行二级模块化处理，即对叶根模块、载荷承载模块、功率输出模块、叶尖模块分别进行特定划分粒度的二级模块化划分。二级模块划分如图4所示。例如，功率输出模块的替换需要在具有功率输出功能的模块间进行选择。
(4)创建模块表征参数和控制参数，采用表征技术理论，通过叶片模块所包含的模块前端(靠近叶根端)截面翼型和模块后端(远离叶根端)截面翼型的弦长、扭角、相对厚度、升力系数、阻力系数、升阻比和该模块的粒度等参数对每个模块进行外形及尺寸进行描述，通过控制参数两个模块的前端(靠近叶根端)截面翼型的弦长、扭角、相对厚度、升力系数、阻力系数、升阻比的差值百分比和两个模块后端(远离叶根端)截面翼型的弦长、扭角、相对厚度、升力系数、阻力系数、升阻比的差值百分比和两个模块粒度之间的差值百分比来度量模块与模块之间的差别程度。
(5)模块信息量计算和模块选择，从叶片模型库中选择与设计要求相近的一款叶片做原型叶片，根据设计需求确定原型叶片和满足设计要求的叶片之间的区别之处，并以此确定加权因子，然后进行模块信息量的计算并根据计算结果选择替换模块组合成完整叶片。即原型叶片中的任意一个一级模块内的二级模块与模块库中的相对应一级模块内的二级模块之间的控制参数的加权值。
在实际操作过程中，根据原型叶片划分得到的每一个模块，则均有相应的一组目标函数f1(x)，f2(x)，f3(x)，…fj(x)，根据客户需求、风机设计要求、模块对风机气动性能或结构特性所起的作用等设定加权因子w1，w2，…wj，求解其中，称为加权因子。通过MTALAB软件建立模块参数矩阵，采用线性加权因子—双权因子方法对模块信息量进行寻优计算，找出最佳替代模块。
根据风机叶片参数可设定每个参数的信息量Ii＝(xi-x)/x，假定加权因子为0.3,0.15,0.3,0.15,0.05,0.05,0，并将模块参数处理为矩阵形式。从模块库中取出一部分模块参数矩阵A＝[M1,M2,M3,M4,M5,M6,M7,M8,M9,Mi]T，目标叶片上需要替换的模块为Bi，对矩阵A、Bi(i＝1,2,3…n)进行处理得到下式
引入加权因子对矩阵进行变换，其中：I1＝3|xi-x|/10x，I2＝3|yi-y|/20y，I3＝3|zi-z|/10z，I4＝3|ui-u|/20u，I5＝|vi-v|/20v，I6＝|wi-w|/20w，I7＝0，则有：模块B1和模块库的中模块之间的信息量，如下式所示
对C1、C2、C3…Cn运算后，取矩阵Ci第14列组成新的矩阵S，见下式，
取每列中最小的数，则其对应的下标为最佳的替换模块。
对于单个模块，若需要替换原型叶片一级模块功率输出模块内的某二级则需要在相应的叶片模块库中通过计算模块信息量搜寻合适的替换模块
其中：fi(x)＝u1I1+u2I2+u3I3+u4I4+u5I5+u6I6+…+ujIj
对于整体叶片，需要根据客户需求来调整模块替换过程中不同功能模块所占的比重即加权因子来调整叶片模块组合所产生的效果
其中：F(x)＝w1f1(x)+w2f2(x)+w3f3(x)+w4f4(x)+…+wifi(x)
u1,u2,u3,u4,u5,u6,…uj；w1,w2,w3,w4,w5,w6…wi为相应的加权因子，加权因子u的设定是根据该表征参数对两个模块相似度的影响程度而定，其值的大小影响到选择相似模块过程中某一个表征参数所起的决定程度；加权因子w的设定是根据该模块对整体叶片某种特性影响的程度而定，其值的大小影响到该模块在对叶片产生某种特性所起的决定程度。通过原型叶片和叶片模块库中所有模块进行搜索计算信息量，再根据客户需求即其想要实现的功能或效果来调整u和w可以得到不同的F(x)值，选择具有最小信息量的叶片作为优选结果，选择其对应的模块进行组合即可得到一个完整的叶片。叶片模块替换如图5所示，其中，叶片库模块由除目标叶片外的其余原型叶片的模块组成，目标叶片为取叶片I、叶片II、叶片III各作为一次目标叶片。
(6)采用专用软件GH Bladed对组合叶片的气动特性和结构特性进行计算，根据计算结果分析该叶片是否能够满足设计要求，若满足设计要求则该组合方案通过，若不满足则重新设计。

Claims (9)

1.一种水平轴风力机叶片可适应性设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，建立包含不同规格型号的叶片模型库；
步骤二，叶片结构和功能可适应性分析，在传统风机设计方法的基础上利用公理设计方法分析确立叶片每一部分所具有的功能以及功能实现过程中所依靠的结构，并且实现结构以及功能的独立性分析；
步骤三，叶片模块化划分，根据可适应性分析的结果对叶片模型库所有叶片进行模块化划分，把叶片沿截面分成不同的模块段；
步骤四，创建模块表征参数和控制参数，采用表征技术理论，通过叶片模块所包含的一组参数对每个模块进行描述，通过控制参数来度量模块与模块之间的差别程度；
步骤五，模块信息量计算和模块选择，从叶片模型库中选择与设计要求相近的一款叶片做原型叶片，根据设计需求确定原型叶片和满足设计要求的叶片之间的区别之处，并以此确定加权因子；然后进行模块信息量的计算并根据计算结果选择替换模块组合成完整叶片；
步骤六，组合叶片的气动特性和结构特性评价，根据计算结果分析该叶片是否能够满足设计要求，若满足设计要求则通过，若不满足则重新设计。
2.根据权利要求1所述的水平轴风力机叶片可适应性设计方法，其特征在于，步骤一中，所述不同规格型号的叶片是指能够适应不同风速风场或具有不同输出功率的风机叶片。
3.根据权利要求1所述的水平轴风力机叶片可适应性设计方法，其特征在于，步骤二中，所述叶片结构和功能可适应性分析是指：根据叶片沿展向方向不同位置处所具有的特殊结构和其所能提供的相应功能对叶片进行阶段式划分，来实现单独改变某个模块结构参数时并不会对其他模块功能产生影响，使每个模块都能够基于其独立的自身结构的基础具有独立的功能，为方便模块的划分和替换建立基础。
4.根据权利要求3所述的水平轴风力机叶片可适应性设计方法，其特征在于，所述可适应性分析方法为：
利用分级模块组织划分优点，将叶片进行高级模块划分；根据用户需求可得到功能域与物理域之间的映射，
功能域：
FR1—风机额定功率3MW；
FR2—保证风机叶片运行可靠性，要求叶片有足够的机械强度；
FR3—较高的风能捕获率；
FR4—保证风机的正常启动；
FR5—要符合环境保护的设计要求；
为满足FR，需要首先保证FR的独立性，其次是要保证FR和DP与最高层次的设计决策一致；
物理域：
DP1—风轮直径即叶片长度；
DP2—保证叶根部位的结构强度，叶片翼型要有足够的厚度比；
DP3—功率输出部分即叶中段要有较高的升阻比、较好的气动特性；
DP4—1：变桨控制；2：叶尖处翼型有较好的气动特性；
DP5—采用三叶片模式，采用降噪设计或装置；
映射关系由设计方程表示：
其X为FRi与Dpi的对应相关系数。
5.根据权利要求1所述的水平轴风力机叶片可适应性设计方法，其特征在于，步骤三中，所述叶片模块化划分是指在叶片可适应性分析的基础上对叶片划分合理的模块，模块分为叶根模块、载荷承载模块、功率输出模块、叶尖模块，根据粒度适中原则，采用有差别粒度分级方法，对叶片进行二级模块化处理，即对叶根模块、载荷承载模块、功率输出模块、叶尖模块分别进行模块化划分；划分后的模块均具有前端面和后端面。
6.根据权利要求1所述的水平轴风力机叶片可适应性设计方法，其特征在于，步骤四中，所述表征参数是指：能够对模块的外形及尺寸进行描述的参数，是把模块进行参数化处理，对叶片库中所有叶片进行模块化划分并建立表征参数化模块数据库；所述表征参数包括模块前端截面翼型和模块后端截面翼型的弦长、扭角、相对厚度、升力系数、阻力系数、升阻比和该模块的粒度；所述控制参数是指能够反应出两个模块在外形和尺寸上相似程度，所述控制参数包括两个模块的前端截面翼型的弦长、扭角、相对厚度、升力系数、阻力系数、升阻比的差值百分比和两个模块后端截面翼型的弦长、扭角、相对厚度、升力系数、阻力系数、升阻比的差值百分比和两个模块粒度之间的差值百分比。
7.根据权利要求6所述的水平轴风力机叶片可适应性设计方法，其特征在于，所述表征参数化模块数据库：
模块M1＝(X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9...Xn，K1，K2，K3)，K1，K2，K3为模块参数，
模块M2＝(X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9...Xn)
模块M3＝(X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9...Xn)
模块M4＝(X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9...Xn)
……
模块Mn＝(X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9...Xn)
所述控制参数：
其中Xj为原型叶片某模块的一个表征参数，x表述叶片库中某一模块相对应的表征参数。
8.根据权利要求7所述的水平轴风力机叶片可适应性设计方法，其特征在于，步骤五中，所述模块信息量计算是指：原型叶片中的任意一个一级模块内的二级模块与模块库中的相对应一级模块内的二级模块之间的控制参数的加权值；所述原型叶片是指：客户希望在此叶片上进行升级使其具有新的功能或者客户需要的风机其运行环境相对于原型风机只是小范围内改变；
评价函数法：
对于单个模块，其信息量表达式可表示成：
fi(x)＝u1I1+u2I2+u3I3+u4I4+u5I5+u6I6+…+ujIj
对于整体叶片，其信息量表达式可表示成：
F(x)＝w1f1(x)+w2f2(x)+w3f3(x)+w4f4(x)+…+wifi(x)
其中，u1，u2，u3，u4，u5，u6，…uj；w1，w2，w3，w4，w5，w6…wi为相应的加权因子，加权因子u的设定是根据该表征参数对两个模块相似度的影响程度而定，其值的大小影响到选择相似模块过程中某一个表征参数所起的决定程度；加权因子w的设定是根据该模块对整体叶片某种特性影响的程度而定，其值的大小影响到该模块在对叶片产生某种特性所起的决定程度；通过原型叶片和叶片模块库中所有模块进行搜索计算信息量，再根据客户需求来调整u和w可以得到不同的F(x)值，选择具有最小信息量的叶片作为优选结果，选择其对应的模块进行组合即可得到一个完整的叶片。
9.根据权利要求1所述的水平轴风力机叶片可适应性设计方法，其特征在于，步骤六中，所述组合叶片气动特性和结构特性评价是指通过软件对风机模型进行计算，根据计算结果和设计要求进行对比，分析叶片是否能够满足风机功率输出要求、结构强度要求以及风机的运行状况是否正常。
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