CN111310252A - 一种风电叶片气动结构耦合设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风电叶片气动结构耦合设计方法，包括步骤：1)输入设计参数，包括机组相关参数和几何设计参数；2)叶片几何参数设计，主要参数化生成风电叶片弦长分布、扭角分布、翼型相对厚度分布；3)叶片气动载荷计算；4)基于数据库插值的叶片刚度计算；5)叶片挥舞变形的计算；6)数据筛选及确定最终设计方案。本发明能极大地提高风电叶片的设计、研发效率和减少叶片设计中间迭代次数，最终实现降低叶片载荷和减少叶片质量。
Description
技术领域
本发明涉及可再生新能源风电叶片的技术领域，尤其是指一种风电叶片气动结构耦合设计方法。
背景技术
随着风力发电功率的快速提升，风电叶片正在向着大型化、轻量化、智能化快速发展。由于气动、结构、叶片成本之间存在相互限制关系，即叶片弦长越大、厚度越大、主梁铺层层数越多，叶片的刚度越大，承载能力越强。但是叶片相应的重量越大，成本越高。
气动设计方面，研究人员以年发电量和度电成本等为目标函数，结合遗传算法和粒子群算法，对叶片进行设计。以年发电量为目标函数，叶片结构强度方面可能不符合要求；以度电成本为目标函数，函数构建的难度极大。
对于纤维增强型复合材料叶片，根据弦长、扭角、相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数，可以通过FOCUS或者ANSYS得到刚度分布。再将刚度分布导入到BLADED，计算变形，对结构强度进行校核。叶片的发电量、结构强度、刚度采用多款软件进行设计，设计过程需要反复迭代，软件计算时间比较长，新款叶片需要较长的开发周期。
基于气动、结构一体化设计的理念，通过程序脚本驱动，由FOCUS得到叶片刚度分布。通过正交试验构建与弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数相对应的数据库。在气动与结构计算相互迭代的过程中，通过弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数对叶片刚度在数据库中进行搜索插值。由于刚度的查找仅通过简单的加权插值，因此计算时间的消耗可忽略不计，大幅缩短了优化设计所需的时间。此外，数据库的构建可以根据需求进行扩充，或者对刚度进一步修正。由于叶片刚度采用风电叶片行业应用广泛的商用软件FOCUS产生，插值求解的刚度具有较好的准确度。刚度计算时间即设计人员可在单一的设计软件里面对发电量、最大风能利用系数Cp、轴向推力、叶片刚度、挥舞变形进行快速全面评估。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种科学可靠的风电叶片气动结构耦合设计方法，能极大地提高风电叶片的设计、研发效率和减少叶片设计中间迭代次数，最终实现降低叶片载荷和减少叶片质量。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种风电叶片气动结构耦合设计方法，包括以下步骤：
1)输入设计参数，包括机组相关参数和几何设计参数；
2)叶片几何参数设计，主要参数化生成风电叶片弦长分布、扭角分布、厚度分布；
3)叶片气动载荷计算
采用叶素-动量理论BEM，计算气动载荷，得到各个翼型截面的气动力参数，进而得到风能利用系数Cp、额定点轴向推力和年发电量，通过积分的方式，求解叶片表面积，并根据气动载荷简化得到的集中力和力臂，计算叶根到叶尖的叶片挥舞方向弯矩分布；
4)叶片刚度计算
通过弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、铺层层数对叶片刚度在数据库中进行搜索插值，得到叶片各截面的刚度；
5)叶片挥舞变形的计算
采用二结点梁单元分段进行计算，由弯矩计算叶片挥舞方向的变形和轴向的变形，由于叶片变形之后，力臂会发生大的变化，因此，将变形后的力臂代入，重新计算弯矩和变形，最终使叶尖相邻迭代次的挥舞变形差值在0.1m，迭代至收敛，完成变形量的计算；
6)数据筛选及确定最终设计方案。
在步骤1)中，所述机组相关参数包括输入机组额定功率、最大转速、机组损耗、平均风速、Weibull分布曲线形状参数k、轴向推力限制值、最大允许的挥舞变形、风能利用系数Cp设计值；所述几何设计参数包括最大弦长变化范围及变化步长、叶根弦长变化范围及变化步长、最大弦长对应的展向位置范围及变化步长、靠近叶尖处的弦长范围及变化步长、厚度设计参数、叶根到叶尖主梁铺层函数分布。
在步骤2)中，所述弦长分布参考某机型的归一化弦长分布，即为标准弦长分布，横坐标为叶片展长与叶片长度的比值，纵坐标为弦长与叶根圆直径的比值，基于标准弦长分布，通过控制叶根弦长、最大弦长及最大弦长对应的叶片展向位置、靠近叶尖处的弦长，从而对弦长分布进行控制；
在叶片翼型相对厚度方案的设计过程中，选取了三款叶片归一化翼型相对厚度分布作为标准翼型相对厚度分布，在此翼型相对厚度的基础上，通过与相关函数的叠加，构造出新的翼型相对厚度分布；
所述扭角分布参考了某机型扭角和攻角分布，以预设扭角分布为设定方案，通过整体的平移以及与相关函数的叠加，从而调整扭角分布；第一步，使扭角变化范围为[-3,3]，步长1，单位为°，在此范围内找到年发电量最大的点；第二步，在第一步求得的最优点的基础上，扭角变化范围为[-0.4,0.4]，步长为0.2，单位为°，在此范围内找到年发电量最大的点。
在步骤4)中，所述数据库的构建方式如下：
以纤维增强型复合材料叶片为研究对象，其结构主要分为壳体、主梁、腹板，其中主梁主要承受挥舞弯矩，壳体前缘和尾缘主要承受摆振弯矩，腹板主要是承受横向剪切载荷，与壳体的夹芯结构一起保持叶片的承载能力；
壳体为三明治夹芯结构，由表层玻璃钢FRP和芯材构成，并采用单轴向布、双轴向布和三轴向布，芯材由巴沙木或者PVC泡沫构成；单轴向布主要应用于主梁铺层，承受挥舞弯矩；双轴向布主要应用于腹板和蒙皮，三轴向布主要应用于增强层；
主梁采用单轴向布进行铺层，在主梁的内外表面存在蒙皮，蒙皮采用双轴向布进行铺层，其层数为3层；腹板铺层为夹芯结构，芯材为PVC泡沫，芯材的内外表面均为3层双轴向布；
采用FOCUS计算叶片刚度分布，以某叶片弦长、扭角和翼型相对厚度分布，构建叶片刚度数据库，对叶片尺寸进行整体缩放，其变化范围为0.5～1.5倍，间距为0.1倍，主梁宽度分别为400mm～1000mm，间距为100mm，主梁铺层层数为10～110层，间距为10层；调用FOCUS程序脚本，生成不同主梁和叶片尺寸所对应的刚度，且叶片各截面刚度随主梁铺层层数的增加而增加。
所述单轴向布的型号为EKU120，所述双轴向布的型号为EKB800，所述三轴向布的型号为EKT800。
在步骤6)中，通过设定的最大弦长变化范围及变化步长、叶根弦长变化范围及变化步长、最大弦长对应的展向位置范围及变化步长、靠近叶尖处的弦长范围及变化步长、厚度设计参数、叶根到叶尖主梁铺层函数分布，在程序里面批量循环求解相应的变量所对应的轴向推力、挥舞变形、风能利用系数Cp；
通过轴向推力限制值、最大允许的挥舞变形、风能利用系数Cp设计值，在所有结果中进行筛选，确定机组最终设计方案。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明方法实现了叶片从气动性能、结构设计、载荷计算、刚度变形全流程设计评估，包含了叶片初始总体方案的所有方面，实现了叶片一体化设计。
2、本发明方法所用的程序为完全自主可控程序，对于部分摆脱国外商业软件的依赖、降低企业设计成本具有比较大的意义。常规的叶片设计需要用到多款商用设计软件，其中叶片几何参数设计需要使用某商用软件进行设计，叶片气动性能评估需要采用GHBladed进行计算，叶片刚度计算需要采用FOCUS进行计算，叶片变形量计算需要采用ANSYS或者GH BLADED进行计算。而本发明方法把各个设计阶段融为一体。
3、本发明方法计算时间消耗极少，依赖的程序为EXCEL VBA，在一般的台式机即可使用，24小时之内能完成数万组设计方案的评估，其刚度通过查表插值求解，刚度插值所需的计算时间可忽略不计，而采用FOCUS，从建模型到最终输出，单工况计算往往需要一天的时间。
4、本发明方法的程序采用模块化封装的方式，通过接口定义程序的输入输出。而对于程序应用人员，可在较短的时间内即可掌握整套设计方法，便于设计经验的继承和改进。
附图说明
图1为最大弦长位置截面结构。
图2为缩放因子1.5、主梁宽度1000mm的刚度分布图。
图3为弦长分布图。
图4为扭角分布图。
图5为翼型相对厚度分布图。
图6为主梁铺层层数分布图。
图7为实例中的刚度分布图。
图8为年发电量图。
图9为单位叶片表面积年发电量图。
图10为挥舞方向变形图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本实施例所提供的风电叶片气动结构耦合设计方法，其具体情况如下：
1)输入设计参数
机组相关参数：输入机组额定功率、最大转速、机组损耗、平均风速、Weibull分布曲线形状参数k、轴向推力限制值、最大允许的挥舞变形、风能利用系数Cp设计值。
几何设计参数：最大弦长变化范围及变化步长、叶根弦长变化范围及变化步长、最大弦长对应的展向位置范围及变化步长、靠近叶尖处的弦长范围及变化步长、厚度设计参数、叶根到叶尖主梁铺层函数分布。
2)叶片几何参数设计
参数化生成风电叶片弦长分布、扭角分布、厚度分布，具体方式如下：
弦长分布参考某机型的归一化弦长分布，即为标准弦长分布。横坐标为叶片展长与叶片长度的比值，纵坐标为弦长与叶根圆直径的比值。基于标准弦长分布，通过控制叶根弦长、最大弦长及最大弦长对应的叶片展向位置、靠近叶尖处的弦长，从而对弦长分布进行控制。
在叶片翼型相对厚度方案的设计过程中，选取了三款叶片归一化翼型相对厚度分布作为标准翼型相对厚度分布，在此翼型相对厚度的基础上，通过与相关函数的叠加，构造出新的翼型相对厚度分布。
扭角分布参考了某机型扭角和攻角分布。以预设扭角分布为设定方案，通过整体的平移以及与相关函数的叠加，从而调整扭角分布。第一步使扭角变化范围为[-3,3]，步长1，单位为°，在此范围内找到年发电量最大的点。第二步，在第一步求得的最优点的基础上，扭角变化范围为[-0.4,0.4]，步长为0.2，单位为°，在此范围内找到年发电量最大的点。
3)叶片气动载荷计算
采用叶素-动量理论(Blade element momentum theory,BEM)，计算气动载荷，得到各个翼型截面的气动力参数，进而得到风能利用系数Cp、额定点轴向推力、年发电量，并通过积分的方式，求解叶片表面积。
根据气动载荷简化得到的集中力和力臂，计算叶根到叶尖的叶片挥舞方向弯矩分布。
4)叶片刚度计算
通过弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数对叶片刚度在数据库中进行搜索插值，得到叶片各截面的刚度。其中数据库构建方式如下：
以纤维增强型复合材料叶片为研究对象，如图1所示，其结构主要分为壳体、主梁、腹板等几个部分。其中主梁主要承受挥舞弯矩，壳体前缘和尾缘主要承受摆振弯矩，腹板主要是承受横向剪切载荷，与壳体的夹芯结构一起保持叶片的承载能力。
壳体为三明治夹芯结构，由表层玻璃钢FRP和芯材构成，并采用单轴向布、双轴向布、三轴向布，芯材一般由巴沙木或者PVC泡沫构成。单轴向布主要应用于主梁铺层，承受挥舞弯矩。双轴向布主要应用于腹板和蒙皮，三轴向布主要应用于增强层。
主梁采用单轴向布进行铺层，在主梁的内外表面存在蒙皮，蒙皮采用双轴向布进行铺层，其层数为3层。腹板铺层为夹芯结构，芯材为PVC泡沫，芯材的内外表面均为3层双轴向布。
采用单轴向布EKU120、双轴向布EKB800、三轴向布EKT800、夹层泡沫等材料进行铺设，其材料性能如表1所示。
表1 叶片材料力学性能
| 材料 | Ex/MPa | Ey/MPa | Gxy/MPa | μxy |
| 单轴向布 | 39180 | 11690 | 39500 | 0.5 |
| 双轴向布 | 13100 | 13100 | 10300 | 0.483 |
| 三轴向布 | 25800 | 13590 | 7360 | 0.36 |
| 夹层泡沫 | 166 | 166 | 22 | 0.3 |
采用FOCUS计算叶片刚度分布，以某叶片弦长、扭角和翼型相对厚度分布，构建叶片刚度数据库。对叶片尺寸进行整体缩放，其变化范围为0.5～1.5倍，间距为0.1倍，主梁宽度分别为400mm～1000mm，间距为100mm，主梁铺层层数为10～110层，间距为10层。调用FOCUS程序脚本，生成不同主梁和叶片尺寸所对应的刚度。
选取数据库中部分数据进行说明，设叶片尺寸缩放因子分别为1.5倍，对应的主梁宽度分别选为1000mm，主梁铺层层数为10、30、50、70和90层，其刚度分布如图2所示，从图中可以看出，叶片各截面刚度随主梁铺层层数的增加而增加。
5)叶片挥舞变形的计算
采用二结点梁单元分段进行计算，由弯矩计算叶片挥舞方向的变形和轴向的变形。由于叶片变形之后，力臂发生的比较大的变化，因此将变形后的力臂代入，重新计算弯矩和变形，最终使叶尖相邻迭代次的挥舞变形差值在0.1m，迭代至收敛，完成变形量的计算。
6)数据筛选及确定最终设计方案
通过设定的最大弦长变化范围及变化步长、叶根弦长变化范围及变化步长、最大弦长对应的展向位置范围及变化步长、靠近叶尖处的弦长范围及变化步长、厚度设计参数、叶根到叶尖主梁铺层函数分布，在程序里面批量循环求解相应的变量所对应的轴向推力、挥舞变形、风能利用系数Cp。
通过轴向推力限制值、最大允许的挥舞变形、风能利用系数Cp设计值，在所有结果中进行筛选，确定机组最终设计方案。
在进行具体方案设计的时候，可能会出现多个设计结果均能满足设计需求，可在详细设计阶段，对设计结果进行更为详细的设计评估。
下面我们以5.8MW风力发电机叶片算例分析。
1)输入设计参数
以5.8MW，85m长叶片说明整个设计流程，具体参数如表2所示。
表2 5.8MW风力机叶片计算参数
2)叶片几何参数设计
参数化生成风电叶片弦长分布、扭角分布和翼型相对厚度分布，参见图3至图5所示。
3)叶片刚度计算
通过弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数对叶片刚度在数据库中进行搜索插值，得到叶片各截面的刚度。
从叶根到叶尖的主梁铺层层数分布如图6所示，刚度如图7所示，从叶根到最大铺层层数位置和从最大铺层层数位置到叶尖位置，其拟合函数为二次函数，通过二次函数相应参数，可以控制曲线的形状。
4)叶片气动载荷计算
采用叶素-动量理论(Blade element momentum theory,BEM)，计算气动载荷，得到各个翼型截面的气动力参数，进而得到风能利用系数Cp、额定点轴向推力、年发电量，并通过积分的方式，求解叶片表面积。
根据气动载荷简化得到的集中力和力臂，计算叶根到叶尖的叶片挥舞方向弯矩分布。
5)叶片挥舞变形的计算
采用二结点梁单元分段进行计算，由弯矩计算叶片挥舞方向的变形和轴向的变形。由于叶片变形之后，力臂发生的比较大的变化，因此将变形后的力臂代入，重新计算弯矩和变形，最终使叶尖相邻迭代次的挥舞变形差值在0.1m，迭代至收敛，完成变形量的计算。
6)数据筛选及确定最终设计方案
通过设定的最大弦长变化范围及变化步长、叶根弦长变化范围及变化步长、最大弦长对应的展向位置范围及变化步长、靠近叶尖处的弦长范围及变化步长、厚度设计参数、叶根到叶尖主梁铺层函数分布，在程序里面批量循环求解相应的变量所对应的轴向推力、挥舞变形、风能利用系数Cp。
通过轴向推力限制值、最大允许的挥舞变形、风能利用系数Cp设计值，在所有结果中进行筛选，确定机组最终设计方案。
最大弦长、最大弦长到叶尖过渡比例因子分别、叶尖比例因子和主梁铺层层数如表3所示，总共为180组计算数据。最大弦长对应的展向位置与叶片长度的比值为19％。
表3 叶片几何参数和主梁铺层层数
| 最大弦长/m | 过渡比例因子 | 叶尖比例因子 | 主梁铺层层数 |
| 5.0 | 0.81 | 0.9 | 50 |
| 5.1 | 0.84 | 1.0 | 60 |
| 5.2 | 0.87 | 1.1 | 70 |
| 5.3 | 80 | ||
| 90 |
图8为表3不同参数组合求解得到的年发电量，图9为年发电量与叶片表面积的比值，图10为挥舞方向的变形。
根据设计需求，取挥舞方向变形为16m，其对应的参数组合为：最大弦长为5.3m，最大弦长到叶尖过渡比例因子为0.84，叶尖比例因子为0.9，主梁铺层层数为80。最终方案的年发电量、最大Cp、轴向推力、叶根弯矩和表面积如表4所示。
表4 5.8MW风力机叶片计算结果
| 最大弦长 | 发电量 | 最大Cp | 轴向推力 | 叶根弯矩 | 表面积 |
| m | 万度 | m/s | kN | kN·m | m<sup>2</sup> |
| 5.3 | 3333 | 0.4761 | 1027.7 | 19417 | 606 |
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种风电叶片气动结构耦合设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)输入设计参数，包括机组相关参数和几何设计参数；
2)叶片几何参数设计，主要参数化生成风电叶片弦长分布、扭角分布、厚度分布；
3)叶片气动载荷计算
采用叶素-动量理论BEM，计算气动载荷，得到各个翼型截面的气动力参数，进而得到风能利用系数Cp、额定点轴向推力和年发电量，通过积分的方式，求解叶片表面积，并根据气动载荷简化得到的集中力和力臂，计算叶根到叶尖的叶片挥舞方向弯矩分布；
4)叶片刚度计算
通过弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数对叶片刚度在数据库中进行搜索插值，得到叶片各截面的刚度；
5)叶片挥舞变形的计算
采用二结点梁单元分段进行计算，由弯矩计算叶片挥舞方向的变形和轴向的变形，由于叶片变形之后，力臂会发生大的变化，因此，将变形后的力臂代入，重新计算弯矩和变形，最终使叶尖相邻迭代次的挥舞变形差值在0.1m，迭代至收敛，完成变形量的计算；
6)数据筛选及确定最终设计方案。
2.根据权利要求1所述的一种风电叶片气动结构耦合设计方法，其特征在于：在步骤1)中，所述机组相关参数包括输入机组额定功率、最大转速、机组损耗、平均风速、Weibull分布曲线形状参数k、轴向推力限制值、最大允许的挥舞变形、风能利用系数Cp设计值；所述几何设计参数包括最大弦长变化范围及变化步长、叶根弦长变化范围及变化步长、最大弦长对应的展向位置范围及变化步长、靠近叶尖处的弦长范围及变化步长、厚度设计参数、叶根到叶尖主梁铺层函数分布。
3.根据权利要求1所述的一种风电叶片气动结构耦合设计方法，其特征在于：在步骤2)中，所述弦长分布参考某机型的归一化弦长分布，即为标准弦长分布，横坐标为叶片展长与叶片长度的比值，纵坐标为弦长与叶根圆直径的比值，基于标准弦长分布，通过控制叶根弦长、最大弦长及最大弦长对应的叶片展向位置、靠近叶尖处的弦长，从而对弦长分布进行控制；
在叶片翼型相对厚度方案的设计过程中，选取了三款叶片归一化翼型相对厚度分布作为标准翼型相对厚度分布，在此翼型相对厚度的基础上，通过与相关函数的叠加，构造出新的翼型相对厚度分布；
所述扭角分布参考了某机型扭角和攻角分布，以预设扭角分布为设定方案，通过整体的平移以及与相关函数的叠加，从而调整扭角分布；第一步，使扭角变化范围为[-3,3]，步长1，单位为°，在此范围内找到年发电量最大的点；第二步，在第一步求得的最优点的基础上，扭角变化范围为[-0.4,0.4]，步长为0.2，单位为°，在此范围内找到年发电量最大的点。
4.根据权利要求1所述的一种风电叶片气动结构耦合设计方法，其特征在于：在步骤4)中，所述数据库的构建方式如下：
以纤维增强型复合材料叶片为研究对象，其结构主要分为壳体、主梁、腹板，其中主梁主要承受挥舞弯矩，壳体前缘和尾缘主要承受摆振弯矩，腹板主要是承受横向剪切载荷，与壳体的夹芯结构一起保持叶片的承载能力；
壳体为三明治夹芯结构，由表层玻璃钢FRP和芯材构成，并采用单轴向布、双轴向布和三轴向布，芯材由巴沙木或者PVC泡沫构成；单轴向布主要应用于主梁铺层，承受挥舞弯矩；双轴向布主要应用于腹板和蒙皮，三轴向布主要应用于增强层；
主梁采用单轴向布进行铺层，在主梁的内外表面存在蒙皮，蒙皮采用双轴向布进行铺层，其层数为3层；腹板铺层为夹芯结构，芯材为PVC泡沫，芯材的内外表面均为3层双轴向布；
采用FOCUS计算叶片刚度分布，以某叶片弦长、扭角和翼型相对厚度分布，构建叶片刚度数据库，对叶片尺寸进行整体缩放，其变化范围为0.5～1.5倍，间距为0.1倍，主梁宽度分别为400mm～1000mm，间距为100mm，主梁铺层层数为10～110层，间距为10层；调用FOCUS程序脚本，生成不同主梁和叶片尺寸所对应的刚度，且叶片各截面刚度随主梁铺层层数的增加而增加。
5.根据权利要求4所述的一种风电叶片气动结构耦合设计方法，其特征在于：所述单轴向布的型号为EKU120，所述双轴向布的型号为EKB800，所述三轴向布的型号为EKT800。
6.根据权利要求1所述的一种风电叶片气动结构耦合设计方法，其特征在于：在步骤6)中，通过设定的最大弦长变化范围及变化步长、叶根弦长变化范围及变化步长、最大弦长对应的展向位置范围及变化步长、靠近叶尖处的弦长范围及变化步长、厚度设计参数、叶根到叶尖主梁铺层函数分布，在程序里面批量循环求解相应的变量所对应的轴向推力、挥舞变形、风能利用系数Cp；
通过轴向推力限制值、最大允许的挥舞变形、风能利用系数Cp设计值，在所有结果中进行筛选，确定机组最终设计方案。
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