[发明专利]一种基于气弹模型的风力机柔性叶片预弯预扭设计方法

说明书

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。

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和所述弯掠形状

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