CN109902384B - 一种基于气弹模型的风力机柔性叶片预弯预扭设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气弹模型的风力机柔性叶片预弯预扭设计方法，该方法包括如下步骤：S1：给定叶片的目标气动外形和风力机基本参数；S2：建立风力机叶片气动弹性时域模型；S3：计算原始叶片的气弹变形：S4：预估叶片的预弯和预扭形状；S5：计算预弯和预扭后叶片的气弹变形并判断是否收敛。通过采用非线性梁理论和基于势流理论的升力面方法建立气弹模型气弹模型，保证了迭代过程中模型计算的准确性和快速，可以高效地获得叶片预弯扭几何外形，通过将所有半径位置的叶片变形均计入收敛判断标准，保证了柔性叶片发生气弹变形后，在整个叶片展长范围内均能达到目标气动外形，以确保柔性叶片能够工作在最佳的状态。

Description

一种基于气弹模型的风力机柔性叶片预弯预扭设计方法

技术领域

本发明属于水平轴风力机发电领域，尤其涉及一种基于气弹模型的风力机柔性叶片预弯预扭设计方法。

背景技术

风力机叶片的气动外形决定了机组的输出功率和气动效率，是风力机设计中非常关键的设计要素。在机型设计时，叶片的弦长、扭角、扭角和弯掠形状等气动几何参数通常都要经过仔细的计算，以保证机组在所设计工况中处于最佳或接近最佳的工作状态。此外，研究人员也提出了各种优化算法对叶片的几何造型作进一步的优化设计，以实现诸如提高风轮的年平均发电量、改进风轮的启动性能、控制主轴推力不利载荷等各种优化目标。

另一方面，风力机柔性叶片在工作中通常都伴随有弯曲、扭转气动弹性变形，这种变形如果过大将影响风轮的气动性能，导致风轮的输出功率偏离原始的设计值，影响风力机的气动效率。在风力机大型化的发展趋势下，叶片的柔性越来越大，叶片气动载荷与结构弹性变形之间的耦合愈发强烈，气弹变形对风轮气动性能的影响也越来显著。

为了使风轮保持最佳的功率输出和气动效率，叶片需要在运行中保持原始设计的气动外形。因此，有必要开发一种计及气弹计及气弹变形的叶片气动外形设计方法，通过对叶片的几何外形进行预处理，即按照一定规律对叶片进行预弯、预扭造型设计，使得叶片在实际运行中经过变形后具有所期望的气动外形。考虑到风力机虽然需要在一定的风速范围内工作，但是叶片的气动外形通常以额定工况为设计点进行设计，因此可以在设计工况点处对叶片进行几何外形预处理。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于气弹模型的风力机柔性叶片预弯预扭设计方法，以确保柔性叶片能够工作在最佳的状态。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

本发明的一种基于气弹模型的风力机柔性叶片预弯预扭设计方法，该方法包括如下步骤：

S1：给定叶片的目标气动外形和风力机基本参数：

所述目标气动外形包括扭角分布

和弯掠形状/>

下标i＝1,2,…；

S2：建立风力机叶片气动弹性时域模型；

S3：计算原始所述叶片的气弹变形：基于步骤S2中建立的所述风力机叶片气动弹性时域模型，计算得到尚未作预弯扭处理的原始所述叶片在设计点处的初始稳态气弹变形，作为后续迭代过程的初始化数据，所述初始稳态气弹变形包括弯曲变形

和扭转变形

S4：预估所述叶片的预弯和预扭形状：根据第k-1次所述叶片的所述弯曲变形

和所述扭转变形/>

下标k＝1,2,…，计算出第k次迭代中所述叶片的所述扭角分布/>

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S5：计算预弯、预扭后所述叶片的气弹变形并判断是否收敛；基于步骤S2中建立的所述风力机叶片气动弹性时域模型，计算步骤S4中经过预弯和预扭处理后所述叶片在设计点处的最终稳态气弹变形，包括所述弯曲变形

和所述扭转变形/>

对比变形后的所述叶片与设计目标在气动外形上的差异，按照下式计算迭代残差，判断所述叶片经过变形后的气动外形是否达到设计目标；

若差异量Δu和Δθ均小于规定量，则预弯预扭迭代设计过程结束，否则重复步骤S4和步骤S5直至迭代收敛，最后得到所述叶片的所述扭角分布

和所述弯掠形状/>

本发明的基于气弹模型的风力机柔性叶片预弯预扭设计方法，所述风力机叶片气动弹性时域模型采用非线性几何精确梁理论和带自由尾迹的升力面方法，建立所述叶片的弯、掠三维形状效应的气弹模型，以实现在所述额定风速、所述叶片的气动外形、结构材料属性以及所述风力机运行参数的条件下，计算得到所述叶片的数据，包括结构弹性响应和气动载荷变化。

本发明的基于气弹模型的风力机柔性叶片预弯预扭设计方法，步骤S4中，根据第k-1次所述叶片的所述弯曲变形

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下标k＝1，2，…，计算出第k次迭代中所述叶片的所述扭角分布/>

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是指：按照下式给出第k次迭代中所述叶片的所述扭角分布/>

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式中ω为松弛因子，其取值范围为(0～1]。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

本发明一实施例通过采用非线性梁理论和基于势流理论的升力面方法建立气弹模型气弹模型，保证了迭代过程中模型计算的准确性和快速，可以高效地获得叶片预弯扭几何外形，通过将所有半径位置的叶片变形均计入收敛判断标准，保证了柔性叶片发生气弹变形后，在整个叶片展长范围内均能达到目标气动外形，以确保柔性叶片能够工作在最佳的状态。

附图说明

图1为本发明的基于气弹模型的风力机柔性叶片预弯预扭设计方法的流程图；

图2为本发明的基于气弹模型的风力机柔性叶片预弯预扭设计方法的基于NREL5-MW原型的后掠叶片气动造型图；

图3为本发明的基于气弹模型的风力机柔性叶片预弯预扭设计方法的气动扭角沿半径的分布规律图

图4为本发明的基于气弹模型的风力机柔性叶片预弯预扭设计方法的叶片气动弹性模型的数据耦合示意图；

图5为本发明的基于气弹模型的风力机柔性叶片预弯预扭设计方法的原始叶片的扭转变形角沿半径的分布图；

图6为本发明的基于气弹模型的风力机柔性叶片预弯预扭设计方法的迭代过程中叶片在挥舞方向上的预弯形状与变形后的叶片形状演变过程图；

图7为本发明的基于气弹模型的风力机柔性叶片预弯预扭设计方法的迭代过程中叶片的预扭形状与变形后的气动扭角分布演变过程；

图8为本发明的基于气弹模型的风力机柔性叶片预弯预扭设计方法的挥舞弯曲残差图；

图9为本发明的基于气弹模型的风力机柔性叶片预弯预扭设计方法的气动扭角残差图；

图10为本发明的基于气弹模型的风力机柔性叶片预弯预扭设计方法的经过预弯预扭设计后的叶片几何外形示意图；

图11为本发明的基于气弹模型的风力机柔性叶片预弯预扭设计方法的经过预弯预扭设计后的叶片几何外形主视图；

图12为本发明的基于气弹模型的风力机柔性叶片预弯预扭设计方法的经过预弯预扭设计后的叶片几何外形俯视图；

图13为本发明的基于气弹模型的风力机柔性叶片预弯预扭设计方法的经过预弯预扭设计后的叶片几何外形侧视图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于气弹模型的风力机柔性叶片预弯预扭设计方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

实施例1

参看图1，在一个实施例中，一种基于气弹模型的风力机柔性叶片预弯预扭设计方法，该方法包括如下步骤：

S1：给定叶片的目标气动外形和风力机基本参数：

基于气动设计，给定叶片的期望气动外形作为设计目标，主要是指叶片的弦长、扭角和弯掠三维形状沿展长的分布规律；其中扭角分布为

弯掠形状为/>

下标i＝1，2，…，N表示相应叶片段的径向位置；同时给出叶片的等效截面刚度以及风轮工作条件，如额定风速、转速、桨距角等基本参数。

S2：建立风力机叶片气动弹性时域模型：

采用非线性几何精确梁理论和带自由尾迹的升力面方法，建立一个可以考虑叶片弯、掠三维形状效应的气弹模型，以实现在给定风速、叶片气动外形、结构材料属性以及风力机运行参数的条件下，计算得到叶片的结构弹性响应和气动载荷变化等数据。

S3：计算原始叶片的气弹变形：

基于步骤S2中建立的所述风力机叶片气动弹性时域模型，计算得到尚未作预弯扭处理的原始叶片在设计点处的稳态气弹变形，包括弯曲位移

和扭转位移/>

作为后续迭代过程的初始化数据。

S4：预估叶片的预弯和预扭形状：

根据上一次即第k-1次迭代时叶片的弯曲变形

和扭转变形/>

计算出第k次迭代中叶片的扭角分布/>

和弯掠形状/>

按照下式给出第k次迭代中叶片的扭角分布

和弯掠形状/>

式中ω为松弛因子，其取值范围为(0～1]，上述式子意味着在每次迭代中，将变形后的叶片形状和目标气动外形的差值作为预弯预扭量，并用加权的方式反加到当前叶片几何形状上。

S5：计算预弯扭后叶片的气弹变形并判断是否收敛；基于步骤S2中建立的所述风力机叶片气动弹性时域模型，计算步骤S4中经过预弯和扭处理后叶片在设计点处的稳态气弹变形，包括弯曲变形

和扭转变形/>

对比变形后的叶片与设计目标叶片在气动外形上的差异，按照下式计算迭代残差，判断该叶片经过变形后的气动外形是否达到设计目标；

若差异量Δu和Δθ均小于规定小量则预弯扭迭代设计过程结束，否则重复步骤S4和步骤S5直至迭代收敛，最后得到叶片的预弯和预扭形状，即

和/>

本发明通过采用非线性梁理论和基于势流理论的升力面方法建立气弹模型气弹模型，保证了迭代过程中模型计算的准确性和快速，可以高效地获得叶片预弯扭几何外形，通过将所有半径位置的叶片变形均计入收敛判断标准，保证了柔性叶片发生气弹变形后，在整个叶片展长范围内均能达到目标气动外形，以确保柔性叶片能够工作在最佳的状态。

实施例2

下面结合一个实例对风力机柔性叶片预弯预扭设计做进一步详细说明。

参看图2，步骤1，给定叶片的目标气动外形和风力机基本参数：

后掠型叶片具有弯扭耦合的结构特征，在气动推力作用下发生挥舞弯曲变形时会同时伴随有扭转变形。利用这种耦合特性，后掠叶片被用来对非定常载荷波动幅值进行被动减载控制，可以有效地降低叶片在湍流、风剪切、偏航等非定常工况中的疲劳载荷。本实施例采用了以NREL5-MW叶片，长度为61.5m，为原型改造的一个后掠叶片作为设计目标。需要给出的风力机参数如下：

1)后掠形状

用下述的式子表示

其中，后掠起始位置取z_s＝0.2R，叶尖后掠位移取a＝5m，掠形状指数取b＝2。

2)气动扭角分布

保持与原型一致，如图3所示。

3)风力机其他参数：同样保持与原型一致，包括叶片弦长、等效截面刚度以及风轮工作参数如额定风速、转速、桨距角等。

按照本发明的技术方案，我们的设计目标是，通过对该后掠型的叶片进行进一步的预弯和预扭造型，使得该叶片能够在工作环境中经过气弹变形后，达到与设计目标

一致的气动外形。

步骤2，建立风力机叶片气动弹性时域模型：

采用非线性几何精确梁理论和带自由尾迹的升力面方法，建立一个可以考虑叶片弯、掠三维形状效应的气弹模型，以实现在给定风速、叶片气动外形、结构材料属性以及风力机运行参数的条件下，计算得到叶片的结构弹性响应和气动载荷变化等数据。

几何精确梁理论用来计算叶片在外部载荷下的结构变形。该理论不同于传统的简单工程线性梁模型的地方在于，在梁结构的位移场描述以及应变-位移关系式中摒弃了小变形假设，通过引入三维有限转动描述方法，完整地考虑梁参考轴线的任意大位移和梁截面的任意大转动，并且计入了对梁初始弯曲曲率和扭角的影响，非常适用于分析风力机柔性叶片的动力学特征。

自由尾迹升力面方法用来计算叶片在给定风工况下的气动载荷。该方法将整个计算域分为叶片部分、近场尾迹部分以及远场尾迹三部分。叶片部分通过在叶片上划分网格并在上面布置附着涡、自由涡以及对应控制点，基于涡诱导速度来描述叶片附近的绕流场；叶片上的自由涡向尾缘处下游延伸形成近场涡；近场涡经过一定方位角寿命的发展后卷起并从近叶尖处拖出，形成远场叶尖涡，该叶尖涡线在流场中自由运动。

参看图4，将梁理论和升力面模型进行数据耦合，即将升力面方法得到的气动载荷施加到梁单元上，并将梁模型得到的结构变形返回给升力面模型对叶片形状、速度进行更新，从而建立时间域上的叶片气弹模型。

步骤3，计算原始叶片的气弹变形：

基于步骤2中建立的气弹模型，计算得到尚未作预弯预扭处理的原始叶片在设计点处的稳态气弹变形，包括弯曲位移

和扭转位移/>

作为后续迭代过程的初始化数据。参看图5，给出了原始叶片的扭转变形角沿半径的分布，可以看到该叶片由于具有弯扭耦合特征，发生了很严重的扭转变形。

步骤4，预估叶片的预弯和预扭形状：

根据上一次即第k-1次迭代时叶片的弯曲变形

和扭转变形/>

计算出第k次迭代中叶片的扭角分布/>

和弯掠形状/>

按照下式给出第k次迭代中叶片的扭角分布/>

和弯掠形状/>

式中ω为松弛因子，本例中取为0.8，上述式子意味着在每次迭代中，将变形后的叶片形状和目标气动外形的差值作为预弯预扭量，并用加权的方式反加到当前叶片几何形状上。

参看图6，给出了在，次迭代过程中，叶片在挥舞方向上的预弯形状以及变形后的形状随迭代次数的演变过程。可以看到，按照上述预弯方法，随着迭代次数增加，叶片的预弯量逐渐增加，同时叶片变形后越来越靠近设计目标(本例中叶片在挥舞方向上保持在旋转平面上)。由图还可以看出，预弯叶片最终所需的预弯量(第6次迭代)要大于原始叶片的变形量，说明叶片的几何形状和气动载荷及气弹变形是相互耦合的，本发明提出的这种迭代设计过程是必要的。

参看图7，给出了在6次迭代过程中，叶片的预扭角度与变形后的气动扭角分布随迭代次数的演变过程。与预弯处理类似，为了达到设计目标

需要将叶片向反方向即失速方向进行预扭处理(如图7实线所示)。

步骤5，计算预弯预扭后叶片的气弹变形并判断是否收敛：

基于步骤2中建立的所述风力机叶片气动弹性时域模型，计算步骤4中经过预弯和扭处理后叶片在设计点处的稳态气弹变形，包括弯曲变形

和扭转变形/>

如图6和图7中的虚线所示。对比变形后的叶片与设计目标叶片在气动外形上的差异，按照下式计算迭代残差，判断该叶片经过变形后的气动外形是否达到设计目标；

若差异量Δu和Δθ均小于规定小量则预弯扭迭代设计过程结束，否则重复步骤S4和步骤S5直至迭代收敛，最后得到叶片的预弯和预扭形状，即

和/>

图8和图9给出了本实施例收敛过程中残差的变化，可以发现，弯曲和扭转残差均很快收敛至一个小量，说明本发明提出的迭代设计方法是有效的。

图10至图13给出了最终的经过预弯、预扭的叶片的几何外形三视图，其中虚线部分是叶片在工作条件下变形后的形状，亦即本实施例的设计目标。该结果表明，本发明提出的设计方法能够有效地给出合适的预弯预扭外形，满足柔性叶片设计要求。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种基于气弹模型的风力机柔性叶片预弯预扭设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1：给定叶片的目标气动外形和风力机基本参数：

所述目标气动外形包括扭角分布

和弯掠形状/>

下标i＝1,2,…；

S2：建立风力机叶片气动弹性时域模型，采用非线性几何精确梁理论和带自由尾迹的升力面方法，建立所述叶片的弯、掠三维形状效应的气弹模型，以实现在额定风速、所述叶片的气动外形、结构材料属性以及所述风力机运行参数的条件下，计算得到所述叶片的数据，包括结构弹性响应和气动载荷变化；

S3：计算原始所述叶片的气弹变形：基于步骤S2中建立的所述风力机叶片气动弹性时域模型，计算得到尚未作预弯扭处理的原始所述叶片在设计点处的初始稳态气弹变形，作为后续迭代过程的初始化数据，所述初始稳态气弹变形包括弯曲变形

和扭转变形/>

S4：预估所述叶片的预弯和预扭形状：根据第k-1次所述叶片的所述弯曲变形

和所述扭转变形/>

下标k＝1,2,…，计算出第k次迭代中所述叶片的所述扭角分布/>

和所述弯掠形状/>

S5：计算预弯和预扭后所述叶片的气弹变形并判断是否收敛；基于步骤S2中建立的所述风力机叶片气动弹性时域模型，计算步骤S4中经过预弯和预扭处理后所述叶片在设计点处的最终稳态气弹变形，包括所述弯曲变形

和所述扭转变形/>

对比变形后的所述叶片与设计目标在气动外形上的差异，按照下式计算迭代残差，判断所述叶片经过变形后的气动外形是否达到设计目标；

若差异量Δu和Δθ均小于规定量，则预弯预扭迭代设计过程结束，否则重复步骤S4和步骤S5直至迭代收敛，最后得到所述叶片的所述扭角分布

和所述弯掠形状/>

2.按照权利要求1所述的基于气弹模型的风力机柔性叶片预弯预扭设计方法，其特征在于，步骤S4中，根据第k-1次所述叶片的所述弯曲变形

和所述扭转变形/>

下标k＝1,2,…，计算出第k次迭代中所述叶片的所述扭角分布/>

和所述弯掠形状/>

是指：按照下式给出第k次迭代中所述叶片的所述扭角分布/>

和所述弯掠形状/>

式中ω为松弛因子，其取值范围为(0～1]。

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