CN114329850A - 海上风电叶片设计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及风电叶片设计技术领域，尤其涉及一种海上风电叶片设计方法及装置。其中，该方法包括：根据目标环境参数确定海上风电叶片对应的至少一个初始翼型；根据目标气动参数确定海上风电叶片的初始形状参数以及至少一个翼型在海上风电叶片上的初始分布参数；根据目标结构参数对海上风电叶片的叶片结构进行设计，得到海上风电叶片对应的初始结构参数；基于材料设计要求，确定海上风电叶片的初始材料参数；根据数字校核模型对初始翼型、初始形状参数、初始分布参数、初始结构参数和初始材料参数进行优化；对目标海上风电叶片进行测试，得到满足目标环境参数要求的海上风电叶片。采用本申请可以提高对应的海上风电装置在目标环境海域的发电效果。

Description

海上风电叶片设计方法及装置

技术领域

本申请涉及风电叶片设计技术领域，尤其涉及一种海上风电叶片设计方法及装置。

背景技术

但是海上环境多种多样，相同海上风电装置在不同海域的工作状况有所不同，进而会影响海上风电装置的发电效果。

发明内容

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本申请的第一个目的在于提出一种海上风电叶片设计方法，以解决相同海上风电装置在不同海域的工作状况不同，进而影响海上风电装置的发电效果的技术问题。

本申请的第二个目的在于提出一种海上风电叶片设计装置。

为达到上述目的，本申请第一方面实施例提出的一种海上风电叶片设计方法，包括：

获取目标环境参数，根据所述目标环境参数确定海上风电叶片对应的至少一个初始翼型；

获取目标气动参数，根据所述目标气动参数确定海上风电叶片的初始形状参数以及所述至少一个翼型在所述海上风电叶片上的初始分布参数；

获取目标结构参数，根据所述目标结构参数对所述海上风电叶片的叶片结构进行设计，得到所述海上风电叶片对应的初始结构参数；

基于材料设计要求，确定所述海上风电叶片的初始材料参数；

构建与所述海上风电叶片对应的数字校核模型，根据所述数字校核模型对所述初始翼型、所述初始形状参数、所述初始分布参数、所述初始结构参数和所述初始材料参数进行优化，得到目标形状参数、目标分布参数、所述目标结构参数和目标材料参数，根据所述目标形状参数、所述目标分布参数、所述目标结构参数和所述目标材料参数构建目标海上风电叶片；

对所述目标海上风电叶片进行测试，得到满足目标环境参数要求的海上风电叶片。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述目标环境参数包括风电场年平均风速参数和风电场湍流度水平参数，所述获取目标环境参数，根据所述目标环境参数确定海上风电叶片对应的至少一个初始翼型，包括：

根据所述风电场年平均风速参数和所述风电场湍流度水平参数确定所述海上风电叶片对应的风电机组对应的运行参数，所述运行参数包括雷诺数、来流湍流度、工况运行参数；

根据所述运行参数确定所述海上风电叶片对应的性能参数，所述性能参数包括升力系数，升阻比以及失速特性参数；

根据所述性能参数确定所述海上风电叶片对应的至少一个初始翼型。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述获取目标气动参数，根据所述目标气动参数确定海上风电叶片的初始形状参数以及所述至少一个翼型在所述海上风电叶片上的初始分布参数，包括：

基于目标气动参数，采用动量叶素方法BEM确定所述海上风电叶片对应的气动性能参数，所述气动性能参数包括海上风电叶片对应的气动推力和气动扭矩；

根据所述气动性能参数，得到满足气动设计要求的所述初始形状参数以及所述初始分布参数；所述气动设计要求包括轮毂高度、额定风速、额定转速、额定功率、切入风速、切出风速以及机组功率曲线和推力曲线。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述基于目标气动参数，采用动量叶素方法BEM确定所述海上风电叶片对应的气动性能参数，包括：

采用叶素理论将所述海上风电叶片划分为至少一个叶素，所述叶素包括弦长、桨距角；

基于目标气动参数，采用动量理论确定所述至少一个叶素中每一个叶素对应的气动性能参数；

根据所述每一个叶素对应的气动性能参数确定所述海上风电叶片对应的气动性能参数。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述目标气动参数包括目标风速参数、目标转速参数；所述基于目标气动参数，采用动量理论确定所述至少一个叶素中每一个叶素对应的气动性能参数，包括：

获取所述至少一个叶素中任一叶素，并初始化风轮前诱导因子和风轮后诱导因子；

获取所述目标风速参数、所述目标转速参数，并根据所述目标风速和所述目标转速计算所述任一叶素对应的气流入流角以及攻角；

根据所述攻角确定所述任一叶素对应的翼型的切向力参数和法向力参数；

基于动量叶素公式，根据所述气流入流角和所述切向力参数对所述风轮前诱导因子进行迭代，得到迭代后的风轮前诱导因子，根据所述气流入流角和所述法向力参数对所述风轮后诱导因子进行迭代，得到迭代后的风轮后诱导因子；

判断所述迭代后的风轮前诱导因子和所述迭代后的风轮后诱导因子是否满足预设偏差阈值，若不满足则重新获取所述目标风速参数和所述目标转速参数以重新计算所述任一叶素对应的气流入流角以及攻角，直至所述迭代后的风轮前诱导因子和所述迭代后的风轮后诱导因子满足预设偏差阈值。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述获取目标结构参数，根据所述目标结构参数对所述海上风电叶片的叶片结构进行设计，得到所述海上风电叶片对应的初始结构参数，包括：

获取目标结构参数，所述目标结构参数包括大梁结构参数、前缘结构参数、后缘结构参数、腹板结构参数、叶根结构参数、壳体结构参数、防腐结构参数、防雷结构参数；

根据所述目标结构参数对所述海上风电叶片的叶片结构进行设计，得到初始结构的海上风电叶片；所述叶片结构包括大梁结构、前缘结构、后缘结构、腹板结构、叶根结构、壳体结构、防腐结构、防雷结构；

对所述初始结构的海上风电叶片进行叶片分析，根据叶片分析结果对所述目标结构性能参数进行调整，得到满足叶片分析要求的初始结构参数；所述叶片分析包括模态分析、刚度分析、强度分析、疲劳分析、粘接分析和以及载荷校核。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述基于材料设计要求，确定所述海上风电叶片的初始材料参数，包括：

根据所述目标气动参数和所述目标结构参数，对所述海上风电叶片的材料参数进行迭代设计，得到满足材料设计要求的初始材料参数；所述材料参数包括材料位置、材料厚度、材料角度以及材料叠放次序。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述构建与所述海上风电叶片对应的数字校核模型，根据所述数字校核模型对所述初始翼型、所述初始形状参数、所述初始分布参数、所述初始结构参数和所述初始材料参数进行优化，得到目标形状参数、目标分布参数、所述目标结构参数和目标材料参数，包括：

将所述数字校核模型与优化算法耦合，并基于残差收敛准则对所述初始翼型、所述初始形状参数、所述初始分布参数、所述初始结构参数和所述初始材料参数进行迭代。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述对所述海上风电叶片进行测试，得到满足目标环境参数要求的海上风电叶片，包括：

对所述海上风电叶片进行静态极限测试和动态疲劳测试；所述静态极限测试包括叶片最大挥舞方向极限载荷测试、叶片最小挥舞方向极限载荷测试、叶片最大摆振方向极限载荷测试、叶片最小摆振方向极限载荷测试；所述动态疲劳测试包括摆振方向疲劳试验和挥舞方向疲劳试验；

若对所述海上风电叶片进行所述静态极限测试和所述动态疲劳测试的过程中，所述海上风电叶片无异常情况，则所述海上风电叶片满足目标环境参数要求。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述目标环境参数包括风电场风速参数和湍流度水平参数，其特征在于，所述对所述海上风电叶片进行测试，得到满足目标环境参数要求的海上风电叶片，包括：

根据所述风电场风速参数和所述湍流度水平参数，确定所述海上风电叶片对应的发电机的国际电工委员会IEC等级；

对所述海上风电叶片进行发电测试，确定所述海上风电叶片对应的发电量；

若所述发电量满足所述IEC等级，则所述海上风电叶片满足目标环境参数要求。

综上，本申请第一方面实施例提出的方法，通过获取目标环境参数，根据所述目标环境参数确定海上风电叶片对应的至少一个初始翼型；获取目标气动参数，根据所述目标气动参数确定海上风电叶片的初始形状参数以及所述至少一个翼型在所述海上风电叶片上的初始分布参数；获取目标结构参数，根据所述目标结构参数对所述海上风电叶片的叶片结构进行设计，得到所述海上风电叶片对应的初始结构参数；基于材料设计要求，确定所述海上风电叶片的初始材料参数；构建与所述海上风电叶片对应的数字校核模型，根据所述数字校核模型对所述初始翼型、所述初始形状参数、所述初始分布参数、所述初始结构参数和所述初始材料参数进行优化，得到目标形状参数、目标分布参数、所述目标结构参数和目标材料参数，根据所述目标形状参数、所述目标分布参数、所述目标结构参数和所述目标材料参数构建目标海上风电叶片；对所述目标海上风电叶片进行测试，得到满足目标环境参数要求的海上风电叶片。本申请通过设计满足目标环境参数要求的海上风电叶片，可以提高海上风电叶片对应的海上风电装置在目标环境海域的发电效果，并且可以通过整体化迭代设计实现低冗余裕度设计。

为达到上述目的，本申请第二方面实施例提出的一种海上风电叶片设计装置，包括：

翼型获取单元，用于获取目标环境参数，根据所述目标环境参数确定海上风电叶片对应的至少一个初始翼型；

气动设计单元，用于获取目标气动参数，根据所述目标气动参数确定海上风电叶片的初始形状参数以及所述至少一个翼型在所述海上风电叶片上的初始分布参数；

结构设计单元，用于获取目标结构参数，根据所述目标结构参数对所述海上风电叶片的叶片结构进行设计，得到所述海上风电叶片对应的初始结构参数；

材料设计单元，用于基于材料设计要求，确定所述海上风电叶片的初始材料参数；

参数优化单元，用于构建与所述海上风电叶片对应的数字校核模型，根据所述数字校核模型对所述初始翼型、所述初始形状参数、所述初始分布参数、所述初始结构参数和所述初始材料参数进行优化，得到目标形状参数、目标分布参数、所述目标结构参数和目标材料参数，根据所述目标形状参数、所述目标分布参数、所述目标结构参数和所述目标材料参数构建目标海上风电叶片；

叶片测试单元，用于对所述目标海上风电叶片进行测试，得到满足目标环境参数要求的海上风电叶片。

综上，本申请第二方面实施例提出的装置，通过翼型获取单元获取目标环境参数，根据所述目标环境参数确定海上风电叶片对应的至少一个初始翼型；气动设计单元获取目标气动参数，根据所述目标气动参数确定海上风电叶片的初始形状参数以及所述至少一个翼型在所述海上风电叶片上的初始分布参数；结构设计单元获取目标结构参数，根据所述目标结构参数对所述海上风电叶片的叶片结构进行设计，得到所述海上风电叶片对应的初始结构参数；材料设计单元基于材料设计要求，确定所述海上风电叶片的初始材料参数；参数优化单元构建与所述海上风电叶片对应的数字校核模型，根据所述数字校核模型对所述初始翼型、所述初始形状参数、所述初始分布参数、所述初始结构参数和所述初始材料参数进行优化，得到目标形状参数、目标分布参数、所述目标结构参数和目标材料参数，根据所述目标形状参数、所述目标分布参数、所述目标结构参数和所述目标材料参数构建目标海上风电叶片；叶片测试单元对所述目标海上风电叶片进行测试，得到满足目标环境参数要求的海上风电叶片。本申请通过设计满足目标环境参数要求的海上风电叶片，可以提高海上风电叶片对应的海上风电装置在目标环境海域的发电效果，并且可以通过整体化迭代设计实现低冗余裕度设计。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本申请实施例所提供的一种海上风电叶片设计方法的流程图；

图2为本申请实施例所提供的直翼段的设计示意图；

图3为本申请实施例所提供的翼型直翼段侧视设计示意图；

图4为本申请实施例所提供的海上风电叶片的稳定性分析云图；

图5为本申请实施例所提供的一种海上风电叶片设计装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

下面结合具体的实施例对本申请进行详细说明。

图1为本申请实施例所提供的一种海上风电叶片设计方法的流程图。

如图1所示，本申请实施例提供的一种海上风电叶片设计方法，包括以下步骤：

步骤110，获取目标环境参数，根据目标环境参数确定海上风电叶片对应的至少一个初始翼型；

步骤120，获取目标气动参数，根据目标气动参数确定海上风电叶片的初始形状参数以及至少一个翼型在海上风电叶片上的初始分布参数；

步骤130，获取目标结构参数，根据目标结构参数对海上风电叶片的叶片结构进行设计，得到海上风电叶片对应的初始结构参数；

步骤140，基于材料设计要求，确定海上风电叶片的初始材料参数；

步骤150，构建与海上风电叶片对应的数字校核模型，根据数字校核模型对初始翼型、初始形状参数、初始分布参数、初始结构参数和初始材料参数进行优化，得到目标形状参数、目标分布参数、目标结构参数和目标材料参数，根据目标形状参数、目标分布参数、目标结构参数和目标材料参数构建目标海上风电叶片；

步骤160，对目标海上风电叶片进行测试，得到满足目标环境参数要求的海上风电叶片。

在本申请实施例中，目标环境参数包括风电场年平均风速参数和风电场湍流度水平参数，获取目标环境参数，根据目标环境参数确定海上风电叶片对应的至少一个初始翼型，包括：

根据风电场年平均风速参数和风电场湍流度水平参数确定海上风电叶片对应的风电机组对应的运行参数，运行参数包括雷诺数、来流湍流度、工况运行参数；

根据运行参数确定海上风电叶片对应的性能参数，性能参数包括升力系数，升阻比以及失速特性参数；

根据性能参数确定海上风电叶片对应的至少一个初始翼型。

根据一些实施例，海上风电叶片的叶片过渡区域对应的初始翼型例如可以为大厚度钝尾缘设计翼型，以保证具有较高的升阻比性能。大厚度钝尾缘设计翼型包括但不限于Du、RiSo、Cas系列等等。

在本申请实施例中，获取目标气动参数，根据目标气动参数确定海上风电叶片的初始形状参数以及至少一个翼型在海上风电叶片上的初始分布参数，包括：

基于目标气动参数，采用动量叶素方法BEM确定海上风电叶片对应的气动性能参数，气动性能参数包括海上风电叶片对应的气动推力和气动扭矩；

根据气动性能参数，得到满足气动设计要求的初始形状参数以及初始分布参数；气动设计要求包括轮毂高度、额定风速、额定转速、额定功率、切入风速、切出风速以及机组功率曲线和推力曲线。

根据一些实施例，本申请可以根据目标气动参数，例如可以为目标额定功率、目标叶片长度，从叶根到叶尖分布选取对应弦长和厚度的翼型，从而确定沿叶片展向的翼型布局设计，以得到至少一个翼型在海上风电叶片上的初始分布参数。

在本申请实施例中，基于目标气动参数，采用动量叶素方法BEM确定海上风电叶片对应的气动性能参数，包括：

采用叶素理论将海上风电叶片划分为至少一个叶素，叶素包括弦长、桨距角；

基于目标气动参数，采用动量理论确定至少一个叶素中每一个叶素对应的气动性能参数；

根据每一个叶素对应的气动性能参数确定海上风电叶片对应的气动性能参数。

根据一些实施例，动量叶素理论由叶素理论和动量理论融合得到。叶素理论可以将叶片划分为无限数个叶素构成。叶素是二维翼型，通过研究作用在每个叶素上的力和力矩，可以将每个叶素上的力和力矩沿叶片展向积分，从而获得作用在海上风电叶片上的推力和力矩。动量理论指的是确定风经过风轮后的速度亏损，或者说风经过叶素后的速度亏损，进一步根据翼型升力阻力系数，累加多个叶素的推力和扭矩，最终得到叶片的推力和扭矩，即叶片的气动性能参数。

根据一些实施例，采用动量叶素方法BEM确定海上风电叶片对应的气动性能参数时，具体可以采用以下步骤：

步骤210，获取叶片数据设置工况；

步骤220，初始化前诱导因子以及后诱导因子；

步骤230，计算叶素几何关系，计算各叶素段入流角；

步骤240，计算叶素局部攻角；

步骤250，通过翼型升阻力表获得升力、阻力系数；

步骤260，根据动量叶素公式更新前诱导因子以及后诱导因子，若更新后的前诱导因子以及更新后的后诱导因子的残差不小于10-2量级，则重复步骤230-260，直至更新后的前诱导因子以及更新后的后诱导因子的残差小于10-2量级；

步骤270，计算叶片的气动扭矩，得到叶片气动性能参数。

在本申请实施例中，目标气动参数包括目标风速参数、目标转速参数；基于目标气动参数，采用动量理论确定至少一个叶素中每一个叶素对应的气动性能参数，包括：

获取至少一个叶素中任一叶素，并初始化风轮前诱导因子和风轮后诱导因子；

获取目标风速参数、目标转速参数，并根据目标风速和目标转速计算任一叶素对应的气流入流角以及攻角；

根据攻角确定任一叶素对应的翼型的切向力参数和法向力参数；

基于动量叶素公式，根据气流入流角和切向力参数对风轮前诱导因子进行迭代，得到迭代后的风轮前诱导因子，根据气流入流角和法向力参数对风轮后诱导因子进行迭代，得到迭代后的风轮后诱导因子；

判断迭代后的风轮前诱导因子和迭代后的风轮后诱导因子是否满足预设偏差阈值，若不满足则重新获取目标风速参数和目标转速参数以重新计算任一叶素对应的气流入流角以及攻角，直至迭代后的风轮前诱导因子和迭代后的风轮后诱导因子满足预设偏差阈值。

根据一些实施例，根据下式确定动量叶素公式：

其中，a为风轮前诱导因子，b为风轮后诱导因子，

为气流入流角，C_n为切向力参数、C_t为法向力参数。

在本申请实施例中，获取目标结构参数，根据目标结构参数对海上风电叶片的叶片结构进行设计，得到海上风电叶片对应的初始结构参数，包括：

获取目标结构参数，目标结构参数包括大梁结构参数、前缘结构参数、后缘结构参数、腹板结构参数、叶根结构参数、壳体结构参数、防腐结构参数、防雷结构参数；

根据目标结构参数对海上风电叶片的叶片结构进行设计，得到初始结构的海上风电叶片；叶片结构包括大梁结构、前缘结构、后缘结构、腹板结构、叶根结构、壳体结构、防腐结构、防雷结构；

对初始结构的海上风电叶片进行叶片分析，根据叶片分析结果对目标结构性能参数进行调整，得到满足叶片分析要求的初始结构参数；叶片分析包括模态分析、刚度分析、强度分析、疲劳分析、粘接分析和以及载荷校核。

根据一些实施例，对海上风电叶片的叶片结构进行设计时，可以采用双腹板、小腹板、壳体相结合的传统结构设计；其中，壳体设计的过程中，在壳体的压力面大梁和吸力面大梁采用碳纤复合材料设计。同时，可以进行后缘设计和叶根设计来保证海上风电叶片的安全运行。

在一些实施例中，对大梁结构进行设计的过程中，大梁结构对应的材料包括但不限于高比模量和高比强度的碳纤维、碳、玻纤维复合材料等等。其中，在碳、玻纤维复合材料中加入聚氨酯材料可以提高大梁结构的力学性能。

在一些实施例中，防雷结构例如可在叶片展向加入防雷引线，可以为碳纤维叶片泄雷；

在一些实施例中，前缘结构和防腐结构对应的材料中可以加入镍钴或者石墨烯前缘雨蚀保护涂层。

在一些实施例中，图2为本申请实施例所提供的直翼段的设计示意图。如图2所示，截取叶片中间截面直翼段，可观察翼型截面的类型及腹板、壳体等基本单元构成。

在一些实施例中，图3为本申请实施例所提供的翼型直翼段侧视设计示意图。如图3所示，可观察翼型腹板的几何尺寸信息、基本单元个数及铺层识别。

根据一些实施例，海上风电叶片的叶片结构所采用的材料使用同等性能的国产化玻璃纤维、碳纤维材料、黏胶剂、树脂等，可以降低材料使用成本，以最低叶片重量的同时使整机成本和可靠性达到最优。

根据一些实施例，模态分析指的是确定海上风电叶片的固有频率是否避开整机的固有频率，从而防止共振。刚度分析指的是确认叶片变形是否满足叶尖与塔筒间隙的设计要求。强度分析指的是叶片在极限载荷作用下，材料和结构是否满足极限强度和屈曲稳定性要求；疲劳分析指的是分析叶片结构是否满足20年甚至更高年限的使用寿命。

在一些实施例中，疲劳分析包括纤维疲劳分析，在进行纤维疲劳分析的过程中，根据累积损伤理论，根据下式确定海上风电叶片的累积损伤：

其中，D为累积损伤，n_i为实际载荷循环次数，N_i为允许最大循环次数。

在一些实施例中，为了便于分析等效疲劳载荷和累积损伤的关系，可以采用纤维疲劳作用系数来表示累积损伤：

其中，E_FF为纤维疲劳作用系数，m为最大失效指数。其中，需要确保最大失效指数均小于1，从而确保纤维疲劳强度满足安全性。

在一些实施例中，依据GL2010标准规定，对海上风电叶片进行强度分析时，不同分析工况下材料的安全系数受到老化、温度、工艺等影响，需要进行折减计算，得到折减后的实验结果，再同有限元分析结果进行比对分析，即计算应力小于材料测试应力除以材料安全系数，可保证材料安全。

在一些实施例中，纤维静强度要求保证叶片各部分纤维失效的作用系数均小于1，使得极限载荷下纤维方向的强度满足要求。

在一些实施例中，纤维间失效分析要求计算叶片纤维间失效的作用系数，作用系数小于1作为校核安全依据，保证在工作载荷作用下，叶片纤维间的强度满足设计要求。

在一些实施例中，粘接分析要求粘接胶主要用于腹板与蒙皮粘接和上下蒙皮粘接，要求具备较好的力学性能，粘接强度大，操作方便，耐腐蚀性强。粘接失效的静强度分析校核采用失效作用系数小于1作为校核准则。作用系数是粘接剪应力和粘接材料的设计剪切强度之比。

在一些实施例中，刚度分析要求利用叶片设计软件进行叶尖净空分析，确定极限状态下和自然状态下叶片叶尖距离塔壁距离，满足IEC61400-1-2019净空比设计要求。

在一些实施例中，稳定性设计要求对挥舞正、挥舞负、摆振正、摆振负等四种极限载荷工况进行有限元的稳定性分析，确定最小分歧因子和最大稳定性作用系数满足设计要求。

在一些实施例中，图4为本申请实施例所提供的海上风电叶片的稳定性分析云图。如图4所示，（a）为挥舞正向失稳云图、（b）为挥舞负向失稳云图、（c）摆阵正向失稳云图、（d）为摆阵负向失稳云图。通过有限元仿真方法，给出了叶片在挥舞和摆阵等正方向的失稳图，可以进一步指导叶片气弹稳定设计。

在本申请实施例中，基于材料设计要求，确定海上风电叶片的初始材料参数，包括：

根据目标气动参数和目标结构参数，对海上风电叶片的材料参数进行迭代设计，得到满足材料设计要求的初始材料参数；材料参数包括材料位置、材料厚度、材料角度以及材料叠放次序。

根据一些实施例，确定海上风电叶片的初始材料参数时，由于叶片成本约占风电机组价格总成本的20%左右，叶片材料占叶片成本80%，甚至85%以上。纤维是组成叶片材料的重要部分，尤其是碳纤维材料。但是国内碳纤维约50%以上依赖进口，材料成本较高；碳纤维复合材料对制造进度要求高，缺陷检验难度大；碳纤维叶片雷电防护方案较低；碳纤维材料深化应用方面，还需要进一步降低成本，优化成型工艺。因此，本申请实施例提供的方法可以采用国产化碳纤维材料代替进口化碳纤维材料。

在一些实施例中，采用国产化碳纤维材料代替进口化碳纤维材料时，将国产纱线制作而成的高比模量和高比强度的碳纤维材料与进口纱线编织织物灌注制作II 型梁进行的部件级试验测试及弯曲测试数据比对试验，规范纱线类型、重量、缝边线等，且无明显差异，进行纤维方向的拉伸、压缩、剪切模量和强度校核，且性能指标达到标准设计要求以上，以保证国产化纤维布的性能指标达到设计要求。

根据一些实施例，根据目标气动参数和目标结构参数，对海上风电叶片的材料参数进行迭代设计，得到满足材料设计要求的初始材料参数的过程中，可以采用的方法包括但不限于梁帽、后缘增强以及尾缘增强。

在一些实施例中，叶片芯材是海上风电叶片的关键材料，通常安装在叶片的前缘、后缘以及腹板等部位。叶片芯材对应的材料包括但不限于轻木、PVC泡沫、PET泡沫等相关材料。

在一些实施例中，粘接胶主要用于腹板与蒙皮粘接和上下蒙皮粘接，要求具有良好的力学性能，粘接强度高，操作方便，耐腐蚀性强。该粘接胶包括但不限于环氧类粘接胶、增环氧类粘接胶等等。

在本申请实施例中，构建与海上风电叶片对应的数字校核模型，根据数字校核模型对初始翼型、初始形状参数、初始分布参数、初始结构参数和初始材料参数进行优化，得到目标形状参数、目标分布参数、目标结构参数和目标材料参数，包括：

将数字校核模型与优化算法耦合，并基于残差收敛准则对初始翼型、初始形状参数、初始分布参数、初始结构参数和初始材料参数进行迭代。

根据一些实施例，数字校核模型对初始翼型进行优化时，可以优化初始翼型的攻角、弦长等参数。

根据一些实施例，基于残差收敛准则对初始翼型、初始形状参数、初始分布参数、初始结构参数和初始材料参数进行迭代时，若前后两次迭代后，气动推力和扭矩的载荷变化在10-3量级以内，则认为收敛。

易于理解的是，本申请通过在海上风电叶片设计过程中，选取与目标环境参数对应的高效初始翼型，并综合考虑气动-结构-载荷耦合进行叶片气动外形设计，可以提高在任一目标环境参数下海上风电叶片获取的准确性。

根据一些实施例，在海上风电叶片设计过程中，需要实现主机与叶片的高度匹配，并进行主机参数与叶片参数的迭代优化，以避免主机参数与叶片参数相互影响，性能上保证更加优异，具体包括以下步骤：

步骤310，获取主机参数，该主机参数包括但不限于风况、海况、塔筒高度、塔筒顶直径，塔顶载荷，其中，可以根据气动性能参数确定塔顶载荷；

步骤320，新建一个基础结构形式的基础方案，该基础方案包括但不限于重力式基础、单桩基础、吸力筒基础、高桩承台基础、吸力筒导管架等等。

步骤330，获取预设的基础结构以及塔筒设计变量的控制参数，该基础结构包括但不限于塔筒壁厚、基础重量、塔架径厚比等；

步骤340，对选定的基础结构及塔筒形式方案执行最优化运算，获得重量最轻的方案；

步骤350，考虑外部影响因素，根据外部影响因素对重量最轻的方案进行局部优化，确定该基础塔架的结构方案集合；该外部影响因素包括但不限于气动、结构、制造、吊装、运输、安装、节点焊缝等等；

步骤360，考虑总成本、工期、施工等因素，从结构方案集合中选出最终的基础方案；

步骤370，确定最终的基础方案对应的主机载荷，如果载荷偏差较大，则根据新的主机载荷重新对该基础塔架型式执行优化运算，搜索出对应方案，并再次执行步骤340-370，直至主机载荷在预设容许范围内。

在本申请实施例中，对海上风电叶片进行测试，得到满足目标环境参数要求的海上风电叶片，包括：

对海上风电叶片进行静态极限测试和动态疲劳测试；静态极限测试包括叶片最大挥舞方向极限载荷测试、叶片最小挥舞方向极限载荷测试、叶片最大摆振方向极限载荷测试、叶片最小摆振方向极限载荷测试；动态疲劳测试包括摆振方向疲劳试验和挥舞方向疲劳试验；

若对海上风电叶片进行静态极限测试和动态疲劳测试的过程中，海上风电叶片无异常情况，则海上风电叶片满足目标环境参数要求。

根据一些实施例，摆振方向疲劳试验的次数例如可以为300万次；挥舞方向疲劳试验的次数例如可以为100万次。

在本申请实施例中，目标环境参数包括风电场风速参数和湍流度水平参数，其特征在于，对海上风电叶片进行测试，得到满足目标环境参数要求的海上风电叶片，包括：

根据风电场风速参数和湍流度水平参数，确定海上风电叶片对应的发电机的国际电工委员会IEC等级；

对海上风电叶片进行发电测试，确定海上风电叶片对应的发电量；

若发电量满足IEC等级，则海上风电叶片满足目标环境参数要求。

易于理解的是，通过根据风电场风速参数和湍流度水平参数，确定海上风电叶片对应的发电机的IEC等级，并根据IEC等级对海上风电叶片进行性能校核，可以确定海上风电叶片对应的风电机组在风电场外部条件能够充分利用风资源，进而可以提高对应海上风电装置在目标环境海域的发电效果。

综上，本申请实施例提出的方法，通过获取目标环境参数，根据目标环境参数确定海上风电叶片对应的至少一个初始翼型；获取目标气动参数，根据目标气动参数确定海上风电叶片的初始形状参数以及至少一个翼型在海上风电叶片上的初始分布参数；获取目标结构参数，根据目标结构参数对海上风电叶片的叶片结构进行设计，得到海上风电叶片对应的初始结构参数；基于材料设计要求，确定海上风电叶片的初始材料参数；构建与海上风电叶片对应的数字校核模型，根据数字校核模型对初始翼型、初始形状参数、初始分布参数、初始结构参数和初始材料参数进行优化，得到目标形状参数、目标分布参数、目标结构参数和目标材料参数，根据目标形状参数、目标分布参数、目标结构参数和目标材料参数构建目标海上风电叶片；对目标海上风电叶片进行测试，得到满足目标环境参数要求的海上风电叶片。本申请通过设计满足目标环境参数要求的海上风电叶片，可以提高对应海上风电装置在目标环境海域的发电效果，并且可以通过整体化迭代设计实现低冗余裕度设计，可以进行轻量化设计并保证资源高效利用，机组效率更高，风能利用率高，并且可以一定程度降低风电机组度电成本，相对与传统叶片设计方法，本申请更加高效、完善，材料设计更加合理。

为了实现上述实施例，本申请还提出一种海上风电叶片设计装置。

图5为本申请实施例提供的一种海上风电叶片设计装置的结构示意图。

如图5所示，一种海上风电叶片设计装置500，包括：

翼型获取单元510，用于获取目标环境参数，根据目标环境参数确定海上风电叶片对应的至少一个初始翼型；

气动设计单元520，用于获取目标气动参数，根据目标气动参数确定海上风电叶片的初始形状参数以及至少一个翼型在海上风电叶片上的初始分布参数；

结构设计单元530，用于获取目标结构参数，根据目标结构参数对海上风电叶片的叶片结构进行设计，得到海上风电叶片对应的初始结构参数；

材料设计单元540，用于基于材料设计要求，确定海上风电叶片的初始材料参数；

参数优化单元550，用于构建与海上风电叶片对应的数字校核模型，根据数字校核模型对初始翼型、初始形状参数、初始分布参数、初始结构参数和初始材料参数进行优化，得到目标形状参数、目标分布参数、目标结构参数和目标材料参数，根据目标形状参数、目标分布参数、目标结构参数和目标材料参数构建目标海上风电叶片；

叶片测试单元560，用于对目标海上风电叶片进行测试，得到满足目标环境参数要求的海上风电叶片。

综上，本申请实施例提出的装置，通过翼型获取单元获取目标环境参数，根据目标环境参数确定海上风电叶片对应的至少一个初始翼型；气动设计单元获取目标气动参数，根据目标气动参数确定海上风电叶片的初始形状参数以及至少一个翼型在海上风电叶片上的初始分布参数；结构设计单元获取目标结构参数，根据目标结构参数对海上风电叶片的叶片结构进行设计，得到海上风电叶片对应的初始结构参数；材料设计单元基于材料设计要求，确定海上风电叶片的初始材料参数；参数优化单元构建与海上风电叶片对应的数字校核模型，根据数字校核模型对初始翼型、初始形状参数、初始分布参数、初始结构参数和初始材料参数进行优化，得到目标形状参数、目标分布参数、目标结构参数和目标材料参数，根据目标形状参数、目标分布参数、目标结构参数和目标材料参数构建目标海上风电叶片；叶片测试单元对目标海上风电叶片进行测试，得到满足目标环境参数要求的海上风电叶片。本申请通过设计满足目标环境参数要求的海上风电叶片，可以提高对应海上风电装置在目标环境海域的发电效果，并且可以通过整体化迭代设计实现低冗余裕度设计。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (11)

1.一种海上风电叶片设计方法，其特征在于，包括：

获取目标环境参数，根据所述目标环境参数确定海上风电叶片对应的至少一个初始翼型；

获取目标气动参数，根据所述目标气动参数确定海上风电叶片的初始形状参数以及所述至少一个翼型在所述海上风电叶片上的初始分布参数；

获取目标结构参数，根据所述目标结构参数对所述海上风电叶片的叶片结构进行设计，得到所述海上风电叶片对应的初始结构参数；

基于材料设计要求，确定所述海上风电叶片的初始材料参数；

构建与所述海上风电叶片对应的数字校核模型，根据所述数字校核模型对所述初始翼型、所述初始形状参数、所述初始分布参数、所述初始结构参数和所述初始材料参数进行优化，得到目标形状参数、目标分布参数、所述目标结构参数和目标材料参数，根据所述目标形状参数、所述目标分布参数、所述目标结构参数和所述目标材料参数构建目标海上风电叶片；

对所述目标海上风电叶片进行测试，得到满足目标环境参数要求的海上风电叶片。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标环境参数包括风电场年平均风速参数和风电场湍流度水平参数，所述获取目标环境参数，根据所述目标环境参数确定海上风电叶片对应的至少一个初始翼型，包括：

根据所述风电场年平均风速参数和所述风电场湍流度水平参数确定所述海上风电叶片对应的风电机组对应的运行参数，所述运行参数包括雷诺数、来流湍流度、工况运行参数；

根据所述运行参数确定所述海上风电叶片对应的性能参数，所述性能参数包括升力系数，升阻比以及失速特性参数；

根据所述性能参数确定所述海上风电叶片对应的至少一个初始翼型。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取目标气动参数，根据所述目标气动参数确定海上风电叶片的初始形状参数以及所述至少一个翼型在所述海上风电叶片上的初始分布参数，包括：

基于目标气动参数，采用动量叶素方法BEM确定所述海上风电叶片对应的气动性能参数，所述气动性能参数包括海上风电叶片对应的气动推力和气动扭矩；

根据所述气动性能参数，得到满足气动设计要求的所述初始形状参数以及所述初始分布参数；所述气动设计要求包括轮毂高度、额定风速、额定转速、额定功率、切入风速、切出风速以及机组功率曲线和推力曲线。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于目标气动参数，采用动量叶素方法BEM确定所述海上风电叶片对应的气动性能参数，包括：

采用叶素理论将所述海上风电叶片划分为至少一个叶素，所述叶素包括弦长、桨距角；

基于目标气动参数，采用动量理论确定所述至少一个叶素中每一个叶素对应的气动性能参数；

根据所述每一个叶素对应的气动性能参数确定所述海上风电叶片对应的气动性能参数。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述目标气动参数包括目标风速参数、目标转速参数；所述基于目标气动参数，采用动量理论确定所述至少一个叶素中每一个叶素对应的气动性能参数，包括：

获取所述至少一个叶素中任一叶素，并初始化风轮前诱导因子和风轮后诱导因子；

获取所述目标风速参数、所述目标转速参数，并根据所述目标风速和所述目标转速计算所述任一叶素对应的气流入流角以及攻角；

根据所述攻角确定所述任一叶素对应的翼型的切向力参数和法向力参数；

基于动量叶素公式，根据所述气流入流角和所述切向力参数对所述风轮前诱导因子进行迭代，得到迭代后的风轮前诱导因子，根据所述气流入流角和所述法向力参数对所述风轮后诱导因子进行迭代，得到迭代后的风轮后诱导因子；

判断所述迭代后的风轮前诱导因子和所述迭代后的风轮后诱导因子是否满足预设偏差阈值，若不满足则重新获取所述目标风速参数和所述目标转速参数以重新计算所述任一叶素对应的气流入流角以及攻角，直至所述迭代后的风轮前诱导因子和所述迭代后的风轮后诱导因子满足预设偏差阈值。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取目标结构参数，根据所述目标结构参数对所述海上风电叶片的叶片结构进行设计，得到所述海上风电叶片对应的初始结构参数，包括：

获取目标结构参数，所述目标结构参数包括大梁结构参数、前缘结构参数、后缘结构参数、腹板结构参数、叶根结构参数、壳体结构参数、防腐结构参数、防雷结构参数；

根据所述目标结构参数对所述海上风电叶片的叶片结构进行设计，得到初始结构的海上风电叶片；所述叶片结构包括大梁结构、前缘结构、后缘结构、腹板结构、叶根结构、壳体结构、防腐结构、防雷结构；

对所述初始结构的海上风电叶片进行叶片分析，根据叶片分析结果对所述目标结构性能参数进行调整，得到满足叶片分析要求的初始结构参数；所述叶片分析包括模态分析、刚度分析、强度分析、疲劳分析、粘接分析和以及载荷校核。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于材料设计要求，确定所述海上风电叶片的初始材料参数，包括：

根据所述目标气动参数和所述目标结构参数，对所述海上风电叶片的材料参数进行迭代设计，得到满足材料设计要求的初始材料参数；所述材料参数包括材料位置、材料厚度、材料角度以及材料叠放次序。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建与所述海上风电叶片对应的数字校核模型，根据所述数字校核模型对所述初始翼型、所述初始形状参数、所述初始分布参数、所述初始结构参数和所述初始材料参数进行优化，得到目标形状参数、目标分布参数、所述目标结构参数和目标材料参数，包括：

将所述数字校核模型与优化算法耦合，并基于残差收敛准则对所述初始翼型、所述初始形状参数、所述初始分布参数、所述初始结构参数和所述初始材料参数进行迭代。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述海上风电叶片进行测试，得到满足目标环境参数要求的海上风电叶片，包括：

对所述海上风电叶片进行静态极限测试和动态疲劳测试；所述静态极限测试包括叶片最大挥舞方向极限载荷测试、叶片最小挥舞方向极限载荷测试、叶片最大摆振方向极限载荷测试、叶片最小摆振方向极限载荷测试；所述动态疲劳测试包括摆振方向疲劳试验和挥舞方向疲劳试验；

若对所述海上风电叶片进行所述静态极限测试和所述动态疲劳测试的过程中，所述海上风电叶片无异常情况，则所述海上风电叶片满足目标环境参数要求。

10.如权利要求1所述的方法，所述目标环境参数包括风电场风速参数和湍流度水平参数，其特征在于，所述对所述海上风电叶片进行测试，得到满足目标环境参数要求的海上风电叶片，包括：

根据所述风电场风速参数和所述湍流度水平参数，确定所述海上风电叶片对应的发电机的国际电工委员会IEC等级；

对所述海上风电叶片进行发电测试，确定所述海上风电叶片对应的发电量；

若所述发电量满足所述IEC等级，则所述海上风电叶片满足目标环境参数要求。

11.一种海上风电叶片设计装置，其特征在于，包括：

翼型获取单元，用于获取目标环境参数，根据所述目标环境参数确定海上风电叶片对应的至少一个初始翼型；

气动设计单元，用于获取目标气动参数，根据所述目标气动参数确定海上风电叶片的初始形状参数以及所述至少一个翼型在所述海上风电叶片上的初始分布参数；

结构设计单元，用于获取目标结构参数，根据所述目标结构参数对所述海上风电叶片的叶片结构进行设计，得到所述海上风电叶片对应的初始结构参数；

材料设计单元，用于基于材料设计要求，确定所述海上风电叶片的初始材料参数；

参数优化单元，用于构建与所述海上风电叶片对应的数字校核模型，根据所述数字校核模型对所述初始翼型、所述初始形状参数、所述初始分布参数、所述初始结构参数和所述初始材料参数进行优化，得到目标形状参数、目标分布参数、所述目标结构参数和目标材料参数，根据所述目标形状参数、所述目标分布参数、所述目标结构参数和所述目标材料参数构建目标海上风电叶片；

叶片测试单元，用于对所述目标海上风电叶片进行测试，得到满足目标环境参数要求的海上风电叶片。

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