CN116305670A - 一种用于机组叶片的改进方法及系统 - Google Patents

一种用于机组叶片的改进方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于机组叶片的改进方法及系统，涉及叶片无损改造技术领域，包括：利用对风力发电组参数化建模后得到的几何模型，构建风力发电机组外的风速流体域；对所述风力发电机组叶片几何模型进行网格划分得到的第一网格结果进行双向流‑固耦合仿真计算，得到叶片在风速流‑固体域的压力分布结果；对分析所述压力分布结果得到的叶片薄弱部位进行无破损改造。通过构建的风力发电组几何模型与外部的风速流体域网格划分后，再进行双向流‑固耦合仿真分析，得到叶片在流体域以及固体域的压力分布结果，进而确定叶片薄弱部位并进行无损改造，提高叶片在全风速段捕获风能效率，还能减缓叶片的流致振动和冲击，提高叶片及整个机组的安全性。

Description

一种用于机组叶片的改进方法及系统
技术领域
本发明涉及叶片无损改造技术领域，特别涉及一种用于机组叶片的改进方法及系统。
背景技术
随着社会对能源安全、气候变化以及生态保护等问题的日渐重视，加快对可再生能源的开发利用已经成为全世界各国减缓温室效应的关键措施之一。其中，作为技术最成熟、规模化开发和商业价值最可观的风电技术在可再生能源发展中占据着举足轻重的地位。
而目前，由于复杂地形地貌的特性问题，在风力发电组的工作过程中经常会出现叶片受损，导致捕获风能效率降低的情况。
因此，本发明提出一种用于机组叶片的改进方法及系统。
发明内容
本发明提供一种用于机组叶片的改进方法及系统，用以通过构建的风力发电组几何模型与外部的风速流体域网格划分后，再进行双向流-固耦合仿真分析，得到叶片在流体域以及固体域的压力分布结果，进而确定叶片薄弱部位并进行无损改造，提高叶片在全风速段捕获风能效率，还能减缓叶片的流致振动和冲击，提高叶片及整个机组的安全性。
本发明提供一种用于机组叶片的改进方法，包括：
步骤1：利用风力发电组的实际几何参数分别对叶片、轮毂、塔架三部位进行三维建模后，将部位拼接得到风力发电机组的几何模型；
步骤2：基于所述风力发电机组的几何模型，构建风力发电机组外的风速流体域；
步骤3：对所述风力发电机组与叶片的几何模型进行网格划分，得到对应的第一网格结果；
步骤4：设定风力发电机组内叶片的载荷边界条件，再对第一网格结果进行双向流-固耦合仿真计算，得到叶片在风速流体域的第一叶片压力分布结果以及在固体域的第二叶片压力分布结果；
步骤5：分析所述第一叶片压力分布结果以及第二叶片压力分布结果，得到叶片薄弱部位，并将该部位作为目标部位进行无破损改造。
优选的，利用风力发电组的实际几何参数分别对叶片、轮毂、塔架三部位进行三维建模后，将部位拼接得到风力发电机组的几何模型，包括：
步骤11：从风电场数据库中分别提取风力发电组中叶片、轮毂、塔架三部位的实际几何参数；
步骤12：将叶片沿着从尖端至根部的叶展方向进行均匀分段，再计算得到每段的叶素面对应的弦长和扭角；
步骤13：以叶片的气动中心为原点坐标，结合叶片长度、弦长以及扭角，获取其实际坐标，从而得到叶片上各叶素的坐标值，再输入目标软件中，输出叶片几何模型；
步骤14：获取轮毂和塔架的几何参数以及实际坐标，并分别输入至目标软件中，输出轮毂几何模型和塔架几何模型；
步骤15：利用叶片、轮毂和塔架之间的拓扑连接关系，将获取的叶片几何模型、轮毂几何模型以及塔架几何模型的用于连接的几何面映射到所需连接的目标面上进行融合后，实现三部位拼接，最终得到风力发电机组的几何模型。
优选的，所述风速流体域是以风力发电机组中的叶片几何模型参数的预设倍数为基准，建立得到的长方体风速流体域。
优选的，对所述风力发电机组与叶片的几何模型进行网格划分，得到对应的第一网格结果，包括：
步骤21：对风速流体域采用结构化网格离散，并在耦合面处采用O型网格进行加密处理，得到流场网格划分结果；
步骤22：将预先选取的两个不同风速工况，以及额定风速工况基于流场网格划分结果分别进行模拟计算得到的对应转矩与推力结果，与基于自编程计算得到的转矩与推力结果进行匹配，若匹配良好，则作为最终流场网格划分结果输出，否则，就耦合面处网格重新划分；
步骤23：基于叶片各个分段区域的相对厚度以及弦向变化程度，确定对应分段区域的划分方式，其中，所述划分方式包括：小尺寸单元网格划分方式以及简化单元网格划分方式；
步骤24：将叶片模型网格划分结果、最终流场网格划分结果集合作为第一网格结果输出。
优选的，设定风力发电机组内叶片的载荷边界条件，再对第一网格结果进行双向流-固耦合仿真计算，得到叶片在风速流体域的第一叶片压力分布结果以及在固体域的第二叶片压力分布结果，包括：
步骤31：获取风力发电组的当前实际工况环境，作为风力发电机组内叶片的第一载荷边界条件；
步骤32：基于第一载荷边界条件，并结合
Figure SMS_1
湍流模型，确定叶片的流体控制方程以及固体控制方程；
步骤33：基于所述第一网格结果，对预设时间段内的每一个时间步内的叶片的流体控制方程以及固体控制方程先后依次进行求解后，再进行叶片的流体场与固体场的计算数据的相互交换，直至迭代求解结束，得到双向流固耦合仿真计算结果；
步骤34：分析所述双向流固耦合仿真结果，得到叶片在风速流体域的第一叶片压力分布结果以及在固体域的第二叶片压力分布结果。
优选的，分析所述第一叶片压力分布结果以及第二叶片压力分布结果，得到叶片薄弱部位，并将该部位作为目标部位进行无破损改造，包括：
根据所述第一叶片压力分布结果，分别获取叶片压力面与吸力面对应所受的第一最大压力和第二最大压力；
此时，若第一最大压力和第二最大压力均大于预设压力阈值，则将叶片压力面和叶片吸力面作为目标受力面输出；
否则，比较第一最大压力与第二最大压力，将最大压力值大的对应面作为目标受力面输出；
根据所述第二叶片压力分布结果，确定呈现根高尖低的分布特点，叶片最大应力位置、应变位置位于叶片根部，故叶片根部应力水平高，尖部应力水平低；
并且，叶片最大变形量位置位于叶片的尖部，其叶片的变形量呈现半径化梯度性减少；
此时，基于预设变形量阈值，获取叶片薄弱部位，将该部位作为目标部位设置空腔进行无破损改造。
优选的，基于预设变形量阈值，获取叶片薄弱部位，将该部位作为目标部位设置空腔进行无破损改造，包括：
以叶片目标受力面尖部为划分起点，从尖到根为划分方向，一直划分至小于预设变形量阈值的叶片位置处结束，得到叶片薄弱部位；
将所述叶片薄弱部位作为目标部位，设置开口处覆盖柔性膜的空腔，以改变叶片表面气体流动；
其中，空腔长度与叶片薄弱部位的长度一致，计算公式如下：
Figure SMS_3
；其中，/>
Figure SMS_8
表示为第i个空腔长度，也就是第i个叶片薄弱部位的长度，/>
Figure SMS_11
；L0表示为叶片长度；/>
Figure SMS_4
表示为第i个叶片薄弱部位内所受的最大压力值；/>
Figure SMS_7
表示为第i个叶片薄弱部位所受压力的标准差值；/>
Figure SMS_10
表示为叶片改造后预设所受压力，且/>
Figure SMS_13
；/>
Figure SMS_2
表示为叶片表面所受压力的压力系数；/>
Figure SMS_6
表示为空气密度；/>
Figure SMS_9
表示为气流速度矢量和；/>
Figure SMS_12
表示为叶片旋转一周的半径长度；/>
Figure SMS_5
表示为求取空腔长度过程中的计算损耗因子；
结合对叶片捕获风能效率以及安全性，确定所需安置的空腔长度
Figure SMS_14
的取值区间为
Figure SMS_15
。
本发明提供一种用于机组叶片的改进系统，其特征在于，包括：
模型建立模块：利用风力发电组的实际几何参数分别对叶片、轮毂、塔架三部位进行三维建模后，将部位拼接得到风力发电机组的几何模型；
流体构建模块：基于所述风力发电机组的几何模型，构建风力发电机组外的风速流体域；
网格划分模块：对所述风力发电机组与叶片的几何模型进行网格划分，得到对应的第一网格结果；
仿真分析模块：设定风力发电机组内叶片的载荷边界条件，再对第一网格结果进行双向流-固耦合仿真计算，得到叶片在风速流体域的第一叶片压力分布结果以及在固体域的第二叶片压力分布结果；
无损改造模块：分析所述第一叶片压力分布结果以及第二叶片压力分布结果，得到叶片薄弱部位，并将该部位作为目标部位进行无破损改造。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例中一种用于机组叶片的改进方法的流程图；
图2为本发明实施例中一种用于机组叶片的改进系统的结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种用于机组叶片的改进方法，如图1所示，包括：
步骤1：利用风力发电组的实际几何参数分别对叶片、轮毂、塔架三部位进行三维建模后，将部位拼接得到风力发电机组的几何模型；
步骤2：基于所述风力发电机组的几何模型，构建风力发电机组外的风速流体域；
步骤3：对所述风力发电机组与叶片的几何模型进行网格划分，得到对应的第一网格结果；
步骤4：设定风力发电机组内叶片的载荷边界条件，再对第一网格结果进行双向流-固耦合仿真计算，得到叶片在风速流体域的第一叶片压力分布结果以及在固体域的第二叶片压力分布结果；
步骤5：分析所述第一叶片压力分布结果以及第二叶片压力分布结果，得到叶片薄弱部位，并将该部位作为目标部位进行无破损改造。
该实施例中，风力发电组的实际几何参数具体包括叶片几何参数，比如叶片相对厚度、叶片长度、叶片扭角，轮毂几何参数，比如轮毂球体体积、轮毂高度，塔架几何参数，比如塔架高度、塔底直径；风力发电机组的几何模型是先利用叶片、轮毂和塔架的几何参数进行建模得到对应的模型后再进行映射拼接得到的。
该实施例中，风速流体域是以风力发电机组中的叶片几何模型参数的预设倍数为基准，建立得到的长方体风速流体域。
该实施例中，网格划分的主要目的是为了保证后续数值计算精度；第一网格结果由经过网格划分后的风力发电机组与叶片的几何模型以及风速流体域构成的。
该实施例中，载荷边界条件主要是指外界环境风速以及环境温度；双向流-固耦合仿真计算是指将风力发电机组叶片在流体场与固体场实际运行过程中产生的数据通过耦合器进行数据的传递交换与迭代计算，目的是为了真实反应叶片在外界风速流场中产生变形，而叶片产生的变形又会影响周围流场分布情况；第一叶片压力分布结果主要指的是叶片在风速流体域中受到的压力分布情况；第二叶片压力分布结果是指叶片在固体域中受到的应力分布情况；叶片薄弱部位是指叶片中最易变形的区域。
该实施例中，目标部位就是指叶片的薄弱部位，用于进行无破损改造，以提高叶片在全风速段捕获风能的效率。
上述技术方案的有益效果是：通过构建的风力发电组几何模型与外部的风速流体域网格划分后，再进行双向流-固耦合仿真分析，得到叶片在流体域以及固体域的压力分布结果，进而确定叶片薄弱部位并进行无损改造，提高叶片在全风速段捕获风能效率，还能减缓叶片的流致振动和冲击，提高叶片及整个机组的安全性。
本发明实施例提供一种用于机组叶片的改进方法，利用风力发电组的实际几何参数分别对叶片、轮毂、塔架三部位进行三维建模后，将部位拼接得到风力发电机组的几何模型，包括：
步骤11：从风电场数据库中分别提取风力发电组中叶片、轮毂、塔架三部位的实际几何参数；
步骤12：将叶片沿着从尖端至根部的叶展方向进行均匀分段，再计算得到每段的叶素面对应的弦长和扭角；
步骤13：以叶片的气动中心为原点坐标，结合叶片长度、弦长以及扭角，获取其实际坐标，从而得到叶片上各叶素的坐标值，再输入目标软件中，输出叶片几何模型；
步骤14：获取轮毂和塔架的几何参数以及实际坐标，并分别输入至目标软件中，输出轮毂几何模型和塔架几何模型；
步骤15：利用叶片、轮毂和塔架之间的拓扑连接关系，将获取的叶片几何模型、轮毂几何模型以及塔架几何模型的用于连接的几何面映射到所需连接的目标面上进行融合后，实现三部位拼接，最终得到风力发电机组的几何模型。
该实施例中，风电场数据库主要包括所在地区的环境数据，比如风速、温度、季节，地势地貌以及风力发电组的几何参数；叶展方向实际上是指从叶片尖部至根部的展开长度方向；叶片的气动中心指的是叶片所受升力矢量和阻力矢量的起点；目标软件一般是指SolidWorks软件。
该实施例中，比如，存在叶片1，长度1.2m,将其按照叶展方向分为9段，则每段长为0.2m，共10个截面。
该实施例中，轮毂几何模型的构建可先根据对称原理，先建立轮毂身一半后对称映射即可得到，较少的非对称部分通过后续局部修改实现；拓扑连接关系包括有邻接、关联、包含以及连通关系；采用映射的形式实现部位拼接的目的在于实现各基本结构元素的互动联系的同时简化建模工作。
该实施例中，风力发电机组的几何模型是先利用叶片、轮毂和塔架的几何参数进行建模得到对应的模型后再进行映射拼接得到的。
上述技术方案的有益效果是：通过从风电数据库中提取叶片、轮毂和塔架的几何参数进行建模得到对应的叶片、轮毂和塔架的几何模型后，结合三部位彼此之间的拓扑连接关系，利用映射形式进行拼接，得到风力发电机组的几何模型，为后续进行进行双向流-固耦合分析奠定基础。
本发明实施例提供一种用于机组叶片的改进方法，对所述风力发电机组与叶片的几何模型进行网格划分，得到对应的第一网格结果，包括：
步骤21：对风速流体域采用结构化网格离散，并在耦合面处采用O型网格进行加密处理，得到流场网格划分结果；
步骤22：将预先选取的两个不同风速工况，以及额定风速工况基于流场网格划分结果分别进行模拟计算得到的对应转矩与推力结果，与基于自编程计算得到的转矩与推力结果进行匹配，若匹配良好，则作为最终流场网格划分结果输出，否则，就耦合面处网格重新划分；
步骤23：基于叶片各个分段区域的相对厚度以及弦向变化程度，确定对应分段区域的划分方式，其中，所述划分方式包括：小尺寸单元网格划分方式以及简化单元网格划分方式；
步骤24：将叶片模型网格划分结果、最终流场网格划分结果集合作为第一网格结果输出。
该实施例中，结构化网格离散有利于区域边界拟合，适于流体和表面应力集中计算且生成网格质量好；耦合面处采用O型网格进行加密处理的目的是为了保证风速流体域模型的求解可靠性。
该实施例中，比如，存在两种风速工况6m/s、9m/s，额定风速工况11m/s，基于流场网格划分结果f1进行模拟计算得到对应的转矩
Figure SMS_16
与自编程计算下得到的对应转矩/>
Figure SMS_17
基本一致；
基于流场网格划分结果f1进行模拟计算得到对应的推力t1、t2、t3，与自编程计算下得到的对应推力T1、T2、T3基本一致，此时将流场网格划分结果f1作为最终流场网格划分结果输出。
该实施例中，对叶片几何模型按照对相对厚度较大区域，弦向变化程度较复杂区域采用尺寸小的单元网格，其余区域采用简化单元网格来实现网格划分，使得叶片表面与对应流场网格数量相同，最终得到叶片模型网格划分结果。
该实施例中，第一网格结果由叶片模型的网格划分结果和风速流体域的最终流场网格划分结果构成。
上述技术方案的有益效果是：通过对风速流体域采用结构化网格离散进行网格划分后，再求解不同风速工况下的转矩和推力验证可信度来进行网格优化，得到最终流场网格划分结果；对叶片基于分段区域的相对厚度以及弦向变化程度进行不同形式网格划分，得到叶片网格划分结果，有效提高了流固耦合面的数据传递精度的同时利于后续数据分析。
本发明实施例提供一种用于机组叶片的改进方法，设定风力发电机组内叶片的载荷边界条件，再对第一网格结果进行双向流-固耦合仿真计算，得到叶片在风速流体域的第一叶片压力分布结果以及在固体域的第二叶片压力分布结果，包括：
步骤31：获取风力发电组的当前实际工况环境，作为风力发电机组内叶片的第一载荷边界条件；
步骤32：基于第一载荷边界条件，并结合
Figure SMS_18
湍流模型，确定叶片的流体控制方程以及固体控制方程；
步骤33：基于所述第一网格结果，对预设时间段内的每一个时间步内的叶片的流体控制方程以及固体控制方程先后依次进行求解后，再进行叶片的流体场与固体场的计算数据的相互交换，直至迭代求解结束，得到双向流固耦合仿真计算结果；
步骤34：分析所述双向流固耦合仿真结果，得到叶片在风速流体域的第一叶片压力分布结果以及在固体域的第二叶片压力分布结果。
该实施例中，第一载荷边界条件是指风力发电组的当前实际工况环境，包括实时外界环境风速和外界环境温度；
Figure SMS_19
湍流模型具有简单实用、计算精度高的优点，用于模拟风力发电组叶片在外界风速流场转动过程中其气体的湍流状态；流体控制方程是指风力发电组叶片在转动过程中，其流体域中的流体遵循的等式；固体控制方程是指基于牛顿第二定律推出的风力发电组叶片所受力遵循的等式。
该实施例中，预设时间段是提前设定好的。
该实施例中，比如，存在第一网格结果w1，将第i+1时间步第k-1次迭代固体的运动和变形作为当前第i+1时间步第k次迭代的已知条件，基于第i时间步的速度和压力，求解出第i+1时间步第k次迭代流体的速度和压力；
利用根据所述第i+1时间步第k次迭代流体的速度和压力求解得到的流体作用在固体上的力，求出第i+1时间步第k次迭代固体的运动和变形。
该实施例中，双向流固耦合仿真计算结果主要是指叶片在流体域内的所受压力的分布情况以及在固体域中叶片所受应力的分布情况。
上述技术方案的有益效果是：通过设定风力发电机组内叶片的载荷边界条件，以及基于第一网格结果进行双向流-固耦合仿真计算，得到叶片在流体域和固体域的受力分布情况，为后续分析叶片薄弱部位提供数据支撑，有利于叶片精准改造。
本发明实施例提供一种用于机组叶片的改进方法，分析所述第一叶片压力分布结果以及第二叶片压力分布结果，得到叶片薄弱部位，并将该部位作为目标部位进行无破损改造，包括：
根据所述第一叶片压力分布结果，分别获取叶片压力面与吸力面对应所受的第一最大压力和第二最大压力；
此时，若第一最大压力和第二最大压力均大于预设压力阈值，则将叶片压力面和叶片吸力面作为目标受力面输出；
否则，比较第一最大压力与第二最大压力，将最大压力值大的对应面作为目标受力面输出；
根据所述第二叶片压力分布结果，确定呈现根高尖低的分布特点，叶片最大应力位置、应变位置位于叶片根部，故叶片根部应力水平高，尖部应力水平低；
并且，叶片最大变形量位置位于叶片的尖部，其叶片的变形量呈现半径化梯度性减少；
此时，基于预设变形量阈值，获取叶片薄弱部位，将该部位作为目标部位设置空腔进行无破损改造。
该实施例中，第一叶片压力分布结果由叶片在外界环境风速流场中的压力分布情况构成；叶片的压力面指的是叶片迎风的一面，吸力面指的是叶片背风的一面；预设压力阈值是提前设定好的。
该实施例中，比如，存在叶片2，其压力面所受第一最大压力大于预设压力阈值，而吸力面所受的第二最大压力小于预设压力阈值，第一最大压力大于第二最大压力，此时，将叶片2的压力面作为目标受力面输出。
该实施例中，第二叶片压力分布结果是指叶片在固体域中所受的应力、应变与变形分布情况；预设变形量阈值是提前设定好的；叶片薄弱部位被作为目标部位，设置空腔来进行无破损改造。
上述技术方案的有益效果是：通过分析叶片在风速流体域的第一叶片压力分布结果以及在固体域的第二叶片压力分布结果，精准获取叶片最易变形位置，也就是最薄弱的位置来作为目标部位设置空腔以实现无破损改造，提高叶片在全风速段捕获风能效率的同时，还能有效减缓叶片的流致振动和冲击。
本发明实施例提供一种用于机组叶片的改进方法，基于预设变形量阈值，获取叶片薄弱部位，将该部位作为目标部位设置空腔进行无破损改造，包括：
以叶片目标受力面尖部为划分起点，从尖到根为划分方向，一直划分至小于预设变形量阈值的叶片位置处结束，得到叶片薄弱部位；
将所述叶片薄弱部位作为目标部位，设置开口处覆盖柔性膜的空腔，以改变叶片表面气体流动；
其中，空腔长度与叶片薄弱部位的长度一致，计算公式如下：
Figure SMS_21
；其中，/>
Figure SMS_26
表示为第i个空腔长度，也就是第i个叶片薄弱部位的长度，/>
Figure SMS_29
；L0表示为叶片长度；/>
Figure SMS_22
表示为第i个叶片薄弱部位内所受的最大压力值；/>
Figure SMS_25
表示为第i个叶片薄弱部位所受压力的标准差值；/>
Figure SMS_28
表示为叶片改造后预设所受压力，且/>
Figure SMS_31
；/>
Figure SMS_20
表示为叶片表面所受压力的压力系数；/>
Figure SMS_24
表示为空气密度；/>
Figure SMS_27
表示为气流速度矢量和；/>
Figure SMS_30
表示为叶片旋转一周的半径长度；/>
Figure SMS_23
表示为求取空腔长度过程中的计算损耗因子；
结合对叶片捕获风能效率以及安全性，确定所需安置的空腔长度
Figure SMS_32
的取值区间为
Figure SMS_33
。
该实施例中，在叶片薄弱部位设置开口处覆盖有柔性膜的空腔的目的是为了改变叶片表面气体流动，从而实现对叶片在全风速段捕获风能效率的提高。
上述技术方案的有益效果是：通过基于预设变形量阈值从叶片目标受力面上精确划分叶片薄弱部位；基于叶片薄弱部位所受的压力值，叶片薄弱部位长度等数据，再结合对叶片捕获风能效率以及安全性的考虑，确定应设置在叶片薄弱部位的空腔的长度，实现无破损改造，提高了叶片在全风速段捕获风能效率，以及叶片乃至整个机组的安全性。
本发明实施例提供一种用于机组叶片的改进系统，如图2所示，包括：
模型建立模块：利用风力发电组的实际几何参数分别对叶片、轮毂、塔架三部位进行三维建模后，将部位拼接得到风力发电机组的几何模型；
流体构建模块：基于所述风力发电机组的几何模型，构建风力发电机组外的风速流体域；
网格划分模块：对所述风力发电机组与叶片的几何模型进行网格划分，得到对应的第一网格结果；
仿真分析模块：设定风力发电机组内叶片的载荷边界条件，再对第一网格结果进行双向流-固耦合仿真计算，得到叶片在风速流体域的第一叶片压力分布结果以及在固体域的第二叶片压力分布结果；
无损改造模块：分析所述第一叶片压力分布结果以及第二叶片压力分布结果，得到叶片薄弱部位，并将该部位作为目标部位进行无破损改造。
上述技术方案的有益效果是：通过构建的风力发电组几何模型与外部的风速流体域网格划分后，再进行双向流-固耦合仿真分析，得到叶片在流体域以及固体域的压力分布结果，进而确定叶片薄弱部位并进行无损改造，提高叶片在全风速段捕获风能效率，还能减缓叶片的流致振动和冲击，提高叶片及整个机组的安全性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种用于机组叶片的改进方法，其特征在于，包括：
步骤1：利用风力发电组的实际几何参数分别对叶片、轮毂、塔架三部位进行三维建模后，将部位拼接得到风力发电机组的几何模型；
步骤2：基于所述风力发电机组的几何模型，构建风力发电机组外的风速流体域；
步骤3：对所述风力发电机组与叶片的几何模型进行网格划分，得到对应的第一网格结果；
步骤4：设定风力发电机组内叶片的载荷边界条件，再对第一网格结果进行双向流-固耦合仿真计算，得到叶片在风速流体域的第一叶片压力分布结果以及在固体域的第二叶片压力分布结果；
步骤5：分析所述第一叶片压力分布结果以及第二叶片压力分布结果，得到叶片薄弱部位，并将该部位作为目标部位进行无破损改造。
2.根据权利要求1所述的一种用于机组叶片的改进方法，其特征在于，利用风力发电组的实际几何参数分别对叶片、轮毂、塔架三部位进行三维建模后，将部位拼接得到风力发电机组的几何模型，包括：
步骤11：从风电场数据库中分别提取风力发电组中叶片、轮毂、塔架三部位的实际几何参数；
步骤12：将叶片沿着从尖端至根部的叶展方向进行均匀分段，再计算得到每段的叶素面对应的弦长和扭角；
步骤13：以叶片的气动中心为原点坐标，结合叶片长度、弦长以及扭角，获取其实际坐标，从而得到叶片上各叶素的坐标值，再输入目标软件中，输出叶片几何模型；
步骤14：获取轮毂和塔架的几何参数以及实际坐标，并分别输入至目标软件中，输出轮毂几何模型和塔架几何模型；
步骤15：利用叶片、轮毂和塔架之间的拓扑连接关系，将获取的叶片几何模型、轮毂几何模型以及塔架几何模型的用于连接的几何面映射到所需连接的目标面上进行融合后，实现三部位拼接，最终得到风力发电机组的几何模型。
3.根据权利要求1所述的一种用于机组叶片的改进方法，其特征在于，所述风速流体域是以风力发电机组中的叶片几何模型参数的预设倍数为基准，建立得到的长方体风速流体域。
4.根据权利要求1所述的一种用于机组叶片的改进方法，其特征在于，对所述风力发电机组与叶片的几何模型进行网格划分，得到对应的第一网格结果，包括：
步骤21：对风速流体域采用结构化网格离散，并在耦合面处采用O型网格进行加密处理，得到流场网格划分结果；
步骤22：将预先选取的两个不同风速工况，以及额定风速工况基于流场网格划分结果分别进行模拟计算得到的对应转矩与推力结果，与基于自编程计算得到的转矩与推力结果进行匹配，若匹配良好，则作为最终流场网格划分结果输出，否则，就耦合面处网格重新划分；
步骤23：基于叶片各个分段区域的相对厚度以及弦向变化程度，确定对应分段区域的划分方式，其中，所述划分方式包括：小尺寸单元网格划分方式以及简化单元网格划分方式；
步骤24：将叶片模型网格划分结果、最终流场网格划分结果集合作为第一网格结果输出。
5.根据权利要求1所述的一种用于机组叶片的改进方法，其特征在于，设定风力发电机组内叶片的载荷边界条件，再对第一网格结果进行双向流-固耦合仿真计算，得到叶片在风速流体域的第一叶片压力分布结果以及在固体域的第二叶片压力分布结果，包括：
步骤31：获取风力发电组的当前实际工况环境，作为风力发电机组内叶片的第一载荷边界条件；
步骤32：基于第一载荷边界条件，并结合
Figure QLYQS_1
湍流模型，确定叶片的流体控制方程以及固体控制方程；
步骤33：基于所述第一网格结果，对预设时间段内的每一个时间步内的叶片的流体控制方程以及固体控制方程先后依次进行求解后，再进行叶片的流体场与固体场的计算数据的相互交换，直至迭代求解结束，得到双向流固耦合仿真计算结果；
步骤34：分析所述双向流固耦合仿真结果，得到叶片在风速流体域的第一叶片压力分布结果以及在固体域的第二叶片压力分布结果。
6.根据权利要求1所述的一种用于机组叶片的改进方法，其特征在于，分析所述第一叶片压力分布结果以及第二叶片压力分布结果，得到叶片薄弱部位，并将该部位作为目标部位进行无破损改造，包括：
根据所述第一叶片压力分布结果，分别获取叶片压力面与吸力面对应所受的第一最大压力和第二最大压力；
此时，若第一最大压力和第二最大压力均大于预设压力阈值，则将叶片压力面和叶片吸力面作为目标受力面输出；
否则，比较第一最大压力与第二最大压力，将最大压力值大的对应面作为目标受力面输出；
根据所述第二叶片压力分布结果，确定呈现根高尖低的分布特点，叶片最大应力位置、应变位置位于叶片根部，故叶片根部应力水平高，尖部应力水平低；
并且，叶片最大变形量位置位于叶片的尖部，其叶片的变形量呈现半径化梯度性减少；
此时，基于预设变形量阈值，获取叶片薄弱部位，将该部位作为目标部位设置空腔进行无破损改造。
7.根据权利要求6所述的一种用于机组叶片的改进方法，其特征在于，基于预设变形量阈值，获取叶片薄弱部位，将该部位作为目标部位设置空腔进行无破损改造，包括：
以叶片目标受力面尖部为划分起点，从尖到根为划分方向，一直划分至小于预设变形量阈值的叶片位置处结束，得到叶片薄弱部位；
将所述叶片薄弱部位作为目标部位，设置开口处覆盖柔性膜的空腔，以改变叶片表面气体流动；
其中，空腔长度与叶片薄弱部位的长度一致，计算公式如下：
Figure QLYQS_3
；其中，/>
Figure QLYQS_8
表示为第i个空腔长度，也就是第i个叶片薄弱部位的长度，/>
Figure QLYQS_11
；L0表示为叶片长度；
Figure QLYQS_4
表示为第i个叶片薄弱部位内所受的最大压力值；/>
Figure QLYQS_7
表示为第i个叶片薄弱部位所受压力的标准差值；/>
Figure QLYQS_10
表示为叶片改造后预设所受压力，且/>
Figure QLYQS_13
；/>
Figure QLYQS_2
表示为叶片表面所受压力的压力系数；/>
Figure QLYQS_6
表示为空气密度；/>
Figure QLYQS_9
表示为气流速度矢量和；/>
Figure QLYQS_12
表示为叶片旋转一周的半径长度；/>
Figure QLYQS_5
表示为求取空腔长度过程中的计算损耗因子；
结合对叶片捕获风能效率以及安全性，确定所需安置的空腔长度
Figure QLYQS_14
的取值区间为
Figure QLYQS_15
。
8.一种用于机组叶片的改进系统，其特征在于，包括：
模型建立模块：利用风力发电组的实际几何参数分别对叶片、轮毂、塔架三部位进行三维建模后，将部位拼接得到风力发电机组的几何模型；
流体构建模块：基于所述风力发电机组的几何模型，构建风力发电机组外的风速流体域；
网格划分模块：对所述风力发电机组与叶片的几何模型进行网格划分，得到对应的第一网格结果；
仿真分析模块：设定风力发电机组内叶片的载荷边界条件，再对第一网格结果进行双向流-固耦合仿真计算，得到叶片在风速流体域的第一叶片压力分布结果以及在固体域的第二叶片压力分布结果；
无损改造模块：分析所述第一叶片压力分布结果以及第二叶片压力分布结果，得到叶片薄弱部位，并将该部位作为目标部位进行无破损改造。
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