CN109783912A - 一种升力型垂直轴风力发电机叶片翼型优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种升力型垂直轴风力发电机叶片翼型优化设计方法，在建立翼型泛函集成表达基础上，提出以升力线斜率特性为目标函数的垂直轴风力发电机叶片翼型优化设计方法，考虑翼型的结构弯度特性，采用遗传优化算法实现垂直轴风力发电机翼型型线控制与参数优化。将优化设计出来的新翼型与垂直轴风力发电机叶片常用翼型进行了气动性能对比分析。

Description

一种升力型垂直轴风力发电机叶片翼型优化设计方法
技术领域
本发明涉及垂直轴风力机叶片翼型设计领域，具体为一种升力型垂直轴风力发电机叶片翼型优化设计方法。
技术背景
目前常用垂直轴风力发电机叶片翼型主要是对称翼型，例如：NACA0012，NACA0015及NACA0018等。然而具有对称特性的风力机翼型普遍气动性能不高，难以提高垂直轴风力发电机的功率性能。由于非对称翼型具有气动性能高的特点，近年来，非对称翼型逐渐引入到垂直轴风力发电机叶片当中，以改善垂直轴风力发电机的能量输出。
发明内容
本发明就是针对现有技术的不足，提供了一种升力型垂直轴风力发电机叶片翼型优化设计方法。
为了实现上述目的，本发明所设计的升力型垂直轴风力发电机叶片翼型优化设计方法，其特征在于：
S1确定目标函数，设计变量及约束条件：所述目标函数为光滑条件下最大升力线斜率，具体如下：
其中，CL为升力系数，α为攻角，其该攻角的范围为-10°～20°，dCL/dα一定范围内的升力系数对攻角的导数；所述变量选取翼型廓线控制函数的前8个系数为设计变量：
X＝(a1,b1,a2,b2,a3,b3,a4,b4)；
所述变量的约束条件具体如下表1：
表1设计变量范围
S2采用遗传算法对所述目标函数进行求解；
S3验证所设计的目标函数气动性能。
进一步地，所述遗传算法在XFOIL软件中进行编程实现，其中，遗传算法相关参数为：种群大小为30，变量维数为8，最大迭代次数为100，代沟0.95，交叉概率0.7，变异概率0.02，该遗传算法的具体过程包括：
S21初始化变量；
S22将变量集合导入翼型廓线设计模型中；
S23判断是否为翼型，若是，则继续往下运行，若否，则回转执行步骤s2；
S24计算适应度值；
S25交叉、变异、更新，满足终止准则即完成优化，输出新翼型，否则回转执行步骤s3。
进一步地，所述步骤s1中垂直轴风力发电机叶片翼型的数学参数表达式具体为：
式中，x为翼型横坐标，y为翼型纵坐标；r为翼型在平面ζ中的矢径，ak、bk为三角级数的系数，θ为幅角，a为1/4翼型弦长。
进一步地，所述约束条件还包括所述垂直轴风力发电机叶片翼型的最大相对厚度为15％。
进一步地，所述约束条件还包括所述垂直轴风力发电机叶片翼型的最大厚度弦向位置为：
0.24≤Lmax≤0.35。
进一步地，所述终止准则为满足目标函数极大值或者迭代最大值，所述迭代最大值为100次。
本发明的优点在于：
1)本发明方法针对垂直轴风力发电机叶片翼型，提出在攻角为-10°～20°范围内以升力线斜率极大为目标函数，采用翼型参数化表达，并利用遗传算法进行翼型廓线优化设计。
2)设计出来的升力线斜率具有显著提高，而且其平均功率系数也有较大提高，相比传统的垂直轴风力发电机叶片对称翼型而言，该新翼型具有更优越的气动性能，能够产生更多的能量输出。
3)本发明方法可以推广应用到垂直轴风力发电机叶片翼型上面，采用该新翼型替换传统的垂直轴风力发电机叶片翼型，具有良好的社会价值和经济效益。
附图说明
图1为本发明的翼型优化设计流程图。
图2为本发明的升力型优化翼型与NACA0015对称翼型廓线。
图3为VT-L150翼型与NACA0015翼型气动性能之升力系数对比。
图4为VT-L150翼型与NACA0015翼型气动性能之升阻比对比。
图5为本发明的功率系数随叶尖速比的变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
本发明提出一种升力型垂直轴风力发电机叶片翼型优化设计方法，在建立翼型泛函集成表达基础上，提出以升力线斜率特性为目标函数的垂直轴风力发电机叶片翼型优化设计方法，考虑翼型的结构弯度特性，采用遗传优化算法实现垂直轴风力发电机翼型型线控制与参数优化。将优化设计出来的VT-L150新翼型与垂直轴风力发电机叶片常用的NACA-0015翼型进行了气动性能对比分析。
1、首先确定垂直轴升力型翼型廓线参数表达：
对于垂直轴风力发电机叶片翼型廓线设计，首先，确定垂直轴风力发电机叶片翼型通过数学参数化表达，其表达式如下所示：
式中，x为翼型横坐标，y为翼型纵坐标；r为翼型在平面ζ中的矢径，ak、bk为三角级数的系数，θ为幅角，a为1/4翼型弦长；
2升力型垂直轴风力发电机叶片翼型廓线优化设计方法
2.1目标函数
由于升力系数在垂直轴风力发电机叶片翼型失速前近似为线性变化，因此本发明提出在垂直轴风力发电机叶片翼型失速前一定攻角范围内0°～10°，该角度内翼型气动性能好，在设计雷诺数为Re＝6.0×106，马赫数Ma＝0.15的条件下，以光滑条件下最大升力线斜率作为目标函数：
式(3)中，CL为升力系数，α为攻角。dCL/dα一定范围内的升力系数对攻角的导数。所述升力系数CL通过XFOIL软件计算得出，具体的计算公式为其中，L为升力，ρ为空气密度，V∞为无穷远处速度，l为翼型弦长。
2.2设计变量
根据垂直轴风力发电机叶片翼型参数化表达的思想，通过控制翼型形状函数的系数便可得到垂直轴风力发电机叶片翼型廓线，本发明选取翼型廓线控制函数的前8个系数为设计变量：
X＝(a1,b1,a2,b2,a3,b3,a4,b4) (4)
选取8个系数一方面能满足对翼型廓线进行调整。另一方面简化了程序，如果选取过多的系数，优化程序会变得困难。
2.3约束条件
为了使垂直轴风力发电机叶片翼型廓线在可控制的范围内变化，将翼型控制函数前8个系数进行如下约束：
Xmin≤X≤Xmax (5)
设计变量约束范围如表1所示.
表1设计变量范围
本发明选取最大相对厚度为15％的垂直轴风力发电机叶片翼型进行优化设计，设定该优化翼型最大厚度为：
th/c＝t∈[0.148,0.151] (6)
除对最大相对厚度进行约束外，还需对翼型的最大厚度弦向位置结构参数进行约束，具体为：
0.24≤Lmax≤0.35 (7)
3、优化结果及对比分析
1、采用遗传算法优化程序进行求解。遗传算法相关参数为：种群大小为30，变量维数为8，最大迭代次数为100，代沟0.95，交叉概率0.7，变异概率0.02。将该算法与XFOIL软件结合求解计算垂直轴翼型气动性能，并对垂直轴风力机翼型进行曲线优化设计。图1给出了垂直轴风力发电机叶片翼型优化设计流程，通过不断迭代更新最优解，即可得到垂直轴风力发电机翼型升力斜率极大值。具体包括：
初始化变量；
将变量集合导入翼型廓线设计模型中；
判断是否为翼型，若是，则继续往下运行，若否，则回转执行步骤s2；
计算适应度值；
交叉、变异、更新，满足终止准则即完成优化，输出新翼型，否则回转执行步骤s3。
图1中判断是否为翼型通过判断是否满足翼型几何约束条件，终止准则为满足目标函数极大值或者迭代最大值，本发明中设计的最大迭代值为100次。已知目标函数、设计变量及约束条件等参数，优化出了垂直轴风力发电机叶片新翼型，命名为VT-L150，该翼型最大相对厚度为15％。图2给出了垂直轴风力发电机新翼型与传统的垂直轴风力发电机对称翼型NACA0015进行了对比，两者均具有相同的最大相对厚度，最明显的区别在于VT-L150新翼型具有更大的弯度，即翼型结构具有非对称性。
图3给出了新翼型VT-L150与传统的垂直轴风力发电机翼型NACA0015的气动性能对比图。表2给出了VT-L150翼型、NACA0015翼型的最大升力线斜率、最大升力系数及最大升阻比等关键气动参数。由图表可知：垂直轴风力发电机新翼型VT-L150的升力线斜率为0.128/度，而NACA0015翼型的升力线斜率为0.111/度，增加了约15.3％；VT-L150翼型的平均升力系数为0.773，而NACA0015翼型的平均升力系数为0.410，增加了88.5％；VT-L150翼型的平均升阻比为55.022，而NACA0015翼型的平均升阻比为38.251，增加了42.1％。其主要原因在于本发明以在一定攻角范围内升力线斜率极大值为目标函数，相比传统的垂直轴风力发电机叶片翼型NACA0015，不仅其升力线斜率有显著提高，而且其整体升力系数及升阻比也有很大提高，这有利于垂直轴风力机叶片在360°攻角范围内的能量输出提高。
表2翼型气动性能参数对比
注：括号内表示攻角位置或者范围，dCL/dα为升力线斜率，CL,max为最大升力系数，CL,aver为一定攻角范围内平均升力系数，L/D,max为最大升阻比，L/D,aver为一定攻角范围内平均升阻比。
为了验证本发明方法设计出来的新翼型VT-L150对垂直轴风力发电机叶片功率特性的贡献。基于动量叶素理论，计算出垂直轴风力发电机的功率系数随叶尖速度比的功率曲线，如图4所示。由图所示，采用新翼型VT-L150所设计的垂直轴风力发电机最大功率系数为0.518，而采用传统的NACA0015翼型所设计的垂直轴风力发电最大功率系数为0.496，提高了4.4％；更为重要的是，在叶尖速比在3～8范围内，采用新翼型VT-L150所设计的垂直轴风力发电机平均功率系数为0.466，而采用传统的NACA0015翼型所设计的垂直轴风力发电平均功率系数为0.435，提高了7.1％。从而验证了该新翼型在垂直轴风力发电机能量输出方面的贡献。
本发明专利的有益效果：
1)本发明方法针对垂直轴风力发电机叶片翼型，提出在攻角为-10°～20°范围内以升力线斜率极大为目标函数，采用翼型参数化表达，并利用遗传算法进行翼型廓线优化设计。
2)设计出来的升力线斜率具有显著提高，而且其平均功率系数也有较大提高，相比传统的垂直轴风力发电机叶片对称翼型而言，该新翼型具有更优越的气动性能，能够产生更多的能量输出。
3)本发明方法可以推广应用到垂直轴风力发电机叶片翼型上面，采用该新翼型替换传统的垂直轴风力发电机叶片翼型，具有良好的社会价值和经济效益。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种升力型垂直轴风力发电机叶片翼型优化设计方法，其特征在于：
S1确定目标函数，设计变量及约束条件：所述目标函数为光滑条件下最大升力线斜率，具体如下：
其中，CL为升力系数，α为攻角，其该攻角的范围为-10°～20°，dCL/dα一定范围内的升力系数对攻角的导数；所述变量选取翼型廓线控制函数的前8个系数为设计变量：
X＝(a1,b1,a2,b2,a3,b3,a4,b4)；
所述变量的约束条件具体如下表1：
表1设计变量范围
S2采用遗传算法对所述目标函数进行求解；
S3验证所设计的目标函数气动性能。
2.根据权利要求1所述的升力型垂直轴风力发电机叶片翼型优化设计方法，其特征在于：所述遗传算法在XFOIL软件中进行编程实现，其中，遗传算法相关参数为：种群大小为30，变量维数为8，最大迭代次数为100，代沟0.95，交叉概率0.7，变异概率0.02，该遗传算法的具体过程包括：
S21初始化变量；
S22将变量集合导入翼型廓线设计模型中；
S23判断是否为翼型，若是，则继续往下运行，若否，则回转执行步骤s2；
S24计算适应度值；
S25交叉、变异、更新，满足终止准则即完成优化，输出新翼型，否则回转执行步骤s3。
3.根据权利要求1所述的升力型垂直轴风力发电机叶片翼型优化设计方法，其特征在于：所述步骤s1中垂直轴风力发电机叶片翼型的数学参数表达式具体为：
式中，x为翼型横坐标，y为翼型纵坐标；r为翼型在平面ζ中的矢径，ak、bk为三角级数的系数，θ为幅角，a为1/4翼型弦长。
4.根据权利要求1所述的升力型垂直轴风力发电机叶片翼型优化设计方法，其特征在于：所述约束条件还包括所述垂直轴风力发电机叶片翼型的最大相对厚度为15％。
5.根据权利要求1所述的升力型垂直轴风力发电机叶片翼型优化设计方法，其特征在于：所述约束条件还包括所述垂直轴风力发电机叶片翼型的最大厚度弦向位置为：
0.24≤Lmax≤0.35。
6.根据权利要求2所述的升力型垂直轴风力发电机叶片翼型优化设计方法，其特征在于：所述终止准则为满足目标函数极大值或者迭代最大值，所述迭代最大值为100次。
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