一種考慮氣動與結構平衡的風電葉片設計方法
2023-07-19 00:34:46
專利名稱：一種考慮氣動與結構平衡的風電葉片設計方法
技術領域：
本發明屬於風電葉片設計技術領域，特別涉及一種考慮氣動與結構平衡的風電葉片設計方法，用於大型風電葉片維複合材料結構的設計。
背景技術：
風能作為可再生的綠色能源，憑藉其巨大的商業潛力和環保效益，在全球的新能源行業中創造了最快增速，已經形成了一個規模巨大的風力發電工業。風電葉片作為風電機組的核心部件，其設計方法的研究還有待深入。葉片設計可分為兩個階段，即氣動設計階段和結構設計階段，在前一階段通過選擇葉片幾何最佳外形實現年發電量最大的目標，結構設計階段包括葉片材料選擇和確定葉片結構形式等，從而實現葉片強度、剛度、穩定性等目標。迄今的葉片設計和優化過程中，氣動和結構的設計過程是分別開展的，同時設計葉片氣動外形和結構會導致較大的計算量，亦沒有成熟的方法。常規方法是先進行葉片氣動形狀設計，然後是葉片結構設計，這樣會導致優良的氣動形狀伴隨較難實現的結構。也有進行結構優先設計方法的探討，但是結構優先方法也很難解決設計過程分離的矛盾。可見， 結構強度和氣動性能的矛盾是獲得優秀葉片設計最大的障礙之一。在葉片設計過程中，氣動性能、載荷、結構強度、動特性以及葉片重量是相互關聯的幾個方面，如何處理好它們之間的關係是關鍵。氣動設計方面，希望使用薄而窄的翼型， 可以提高升阻比，並且減少翼型前緣對粗糙度的敏感性；結構設計需要增加葉片厚度以提高葉片強度和剛度，並減輕葉片重量。隨著風電機組的大型化，葉片設計能力的不足已成為制約大型高效風電機組研發的技術關鍵。
發明內容
本發明針對上述缺陷公開了一種考慮氣動與結構平衡的風電葉片設計方法，本發明能夠同時考慮到風電葉片的氣動與結構設計。一種考慮氣動與結構平衡的風電葉片設計方法，其特徵在於，它包括以下步驟I)根據風電機組葉片及機組參數，將所設計葉片分為內圈與外圈兩部分，具體說明如下設定一結構係數K，葉片結構係數K定義為其中，r為風電機組葉片的參考半徑；11為輪轂半徑；L為風電機組葉片總長度，選取k值為O. 5-0. 55，可以得出對應的風電機組葉片的參考半徑!■的數值，以風電機組風輪的中心點為圓心，以該參考半徑r的數值為半徑，畫出一個圓，位於此圓內的風電機組葉片為內圈葉片，位於此圓外的風電機組葉片為外圈葉片；2)進行內圈葉片氣動翼型的選擇在不包括葉根區域的內圈葉片採用相對厚度為30% 50%的翼型，用以增加葉片截面厚度；3)進行外圈葉片氣動翼型的選擇對外圈葉片進行氣動翼型選擇時，採用升力係數達到I. 5以上且相對厚度小於25%的翼型，充分發揮翼型的氣動性能；4)進行葉片氣動外形計算及優化內圈葉片氣動翼型和外圈葉片氣動翼型選擇完畢後，進行氣動外形的計算及優化；5)進行風電機組葉片主梁結構設計抗剪腹板和主梁帽構成風電機組葉片主梁， 風電機組葉片外形由蒙皮構成；在對主梁帽進行設計時，根據抗彎能力要求計算其厚度；在對抗剪腹板進行設計時，抗剪腹板內圈部分設計成波紋型，以增加葉片結構強度，抗剪腹板外圈部分仍沿用直抗剪腹板，抗剪腹板內圈部分是指位於內圈葉片範圍內的抗剪腹板，抗剪腹板外圈部分是指位於外圈葉片範圍內的抗剪腹板。所述相對厚度為30% 50%的翼型為鈍後緣翼型。採用葛勞渥方法或維爾森方法進行氣動外形的計算及優化。本發明的有益效果為I)本發明通過將葉片分為內圈和外圈兩部分，在內圈選擇相對厚度較大的翼型， 使在氣動設計過程中就考慮結構強度的要求，從而解決了氣動設計和結構設計的矛盾。2)本發明在葉片主梁的結構設計中，將葉片內圈部分的主梁抗剪腹板設計成波紋型，從而有效提聞了葉片的結構強度。
圖I示出本發明的設計步驟流程圖；圖2示出本發明的葉片結構示意圖；圖3示出本發明的葉片展向結構示意圖；圖4示出本發明的葉片主梁抗剪腹板的結構示意圖。
具體實施例方式現在將參照附圖來詳細描述本發明的各種示例性實施例。應注意到除非另外具體說明，否則在這些實施例中闡述的部件和步驟的相對布置、數字表達式和數值不限制本發明的範圍。同時，應當明白，為了便於描述，附圖中所示出的各個部分的尺寸並不是按照實際的比例關係繪製的。以下對至少一個示例性實施例的描述實際上僅僅是說明性的，決不作為對本發明及其應用或使用的任何限制。對於相關領域普通技術人員已知的技術、方法和設備可能不作詳細討論，但在適當情況下，所述技術、方法和設備應當被視為授權說明書的一部分。在這裡示出和討論的所有示例中，任何具體值應被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制。因此，示例性實施例的其它示例可以具有不同的值。應注意到相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步討論。
如圖I所示，一種考慮氣動與結構平衡的風電葉片設計方法包括以下步驟I)根據風電機組葉片及機組參數，將所設計葉片分為內圈與外圈兩部分，具體說明如下設定一結構係數K，如圖2所示，葉片結構係數K定義為其中，r為風電機組葉片的參考半徑山為輪轂半徑；L為風電機組葉片總長度，選取k值為O. 5-0. 55，可以得出對應的風電機組葉片的參考半徑!■的數值，以風電機組風輪的中心點為圓心，以該參考半徑r的數值為半徑，畫出一個圓，位於此圓內的風電機組葉片為內圈葉片，位於此圓外的風電機組葉片為外圈葉片；內圈葉片以結構強度設計為主，外圈葉片以最大限度發揮翼型的空氣動力特性為主，這樣不但可以增強葉片的結構強度，而且葉片整體氣動性能也可得以保持；2)進行內圈葉片氣動翼型的選擇因為內圈葉片所承受的彎曲和疲勞載荷很大， 需要側重結構強度要求設計，本發明選擇相對厚度較大的翼型，在不包括葉根區域的內圈葉片採用相對厚度為30% 50 %的翼型(例如，採用相對厚度為30 % 50%的鈍後緣翼型)，用以增加葉片截面厚度；3)進行外圈葉片氣動翼型的選擇外圈葉片所受載荷相對較小，且其捕風能力要求較高。對外圈葉片進行氣動翼型選擇時，採用升力係數達到1.5以上且相對厚度小於 25%的翼型，充分發揮翼型的氣動性能；4)進行葉片氣動外形計算及優化內圈葉片氣動翼型和外圈葉片氣動翼型選擇完畢後，採用葛勞渥(Glauert)方法或維爾森(Wilson)方法進行氣動外形的計算及優化；5)進行風電機組葉片主梁結構設計葉片結構如圖3所示，風電機組葉片主要由葉片根部I、蒙皮3、抗剪腹板4和主梁帽5構成，抗剪腹板4和主梁帽5構成風電機組葉片主梁，風電機組葉片主梁為風電葉片的主要承載結構，風電機組葉片外形由蒙皮3構成。在對主梁帽5進行設計時，根據抗彎能力要求計算其厚度；在對抗剪腹板4進行設計時，抗剪腹板4內圈部分6設計成波紋型，以增加葉片結構強度，抗剪腹板4外圈部分7 仍沿用直抗剪腹板，抗剪腹板4內圈部分6是指位於內圈葉片範圍內的抗剪腹板4，抗剪腹板4外圈部分7是指位於外圈葉片範圍內的抗剪腹板4，如圖4所示。以下是本發明的一個具體實施例101)確定風電機組葉片設計參數。在本示例性設計中針對某I. 5MW風電機組葉片進行設計，其參數見表I。表I風電葉片設計參數
權利要求
1.一種考慮氣動與結構平衡的風電葉片設計方法，其特徵在於，它包括以下步驟I)根據風電機組葉片及機組參數，將所設計葉片分為內圈與外圈兩部分，具體說明如下設定一結構係數K，葉片結構係數κ定義為K=~-L其中，r為風電機組葉片的參考半徑山為輪轂半徑；L為風電機組葉片總長度，選取k 值為O. 5-0. 55，可以得出對應的風電機組葉片的參考半徑r的數值，以風電機組風輪的中心點為圓心，以該參考半徑r的數值為半徑，畫出一個圓，位於此圓內的風電機組葉片為內圈葉片，位於此圓外的風電機組葉片為外圈葉片；2)進行內圈葉片氣動翼型的選擇在不包括葉根區域的內圈葉片採用相對厚度為 30% 50%的翼型，用以增加葉片截面厚度；3)進行外圈葉片氣動翼型的選擇對外圈葉片進行氣動翼型選擇時，採用升力係數達到I. 5以上且相對厚度小於25%的翼型，充分發揮翼型的氣動性能；4)進行葉片氣動外形計算及優化內圈葉片氣動翼型和外圈葉片氣動翼型選擇完畢後，進行氣動外形的計算及優化；5)進行風電機組葉片主梁結構設計抗剪腹板⑷和主梁帽(5)構成風電機組葉片主梁，風電機組葉片外形由蒙皮(3)構成；在對主梁帽(5)進行設計時，根據抗彎能力要求計算其厚度；在對抗剪腹板(4)進行設計時，抗剪腹板(4)內圈部分(6)設計成波紋型，以增加葉片結構強度，抗剪腹板(4)外圈部分(7)仍沿用直抗剪腹板，抗剪腹板(4)內圈部分(6)是指位於內圈葉片範圍內的抗剪腹板(4)，抗剪腹板(4)外圈部分(7)是指位於外圈葉片範圍內的抗剪腹板(4)。
2.根據權利要求I所述的一種考慮氣動與結構平衡的風電葉片設計方法，其特徵在於，所述相對厚度為30% 50%的翼型為鈍後緣翼型。
3.根據權利要求I所述的一種考慮氣動與結構平衡的風電葉片設計方法，其特徵在於，採用葛勞渥方法或維爾森方法進行氣動外形的計算及優化。
全文摘要
本發明公開了屬於風電葉片設計技術領域的一種考慮氣動與結構平衡的風電葉片設計方法。它包括以下步驟1)根據風電機組葉片及機組參數，將所設計葉片分為內圈與外圈兩部分；2)進行內圈葉片氣動翼型的選擇；3)進行外圈葉片氣動翼型的選擇；4)進行葉片氣動外形計算及優化；5)進行風電機組葉片主梁結構設計；本發明的有益效果為1)本發明通過將葉片分為內圈和外圈兩部分，在內圈選擇相對厚度較大的翼型，使在氣動設計過程中就考慮結構強度的要求，從而解決了氣動設計和結構設計的矛盾。2)本發明在葉片主梁的結構設計中，將葉片內圈部分的主梁抗剪腹板設計成波紋型，從而有效提高了葉片的結構強度。
文檔編號F03D11/00GK102588220SQ20121005217
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月1日 優先權日2012年3月1日
發明者芮曉明, 馬志勇 申請人:華北電力大學