一种风力机翼型与叶片外形参数一体化设计方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN105868470A(43)申请公布日2016.08.17(21)申请号201610185838.1(22)申请日2016.03.29(71)申请人湖北工业大学地址430068湖北省武汉市武昌区南湖李家墩1村1号(72)发明人汪泉王君孙金风游颖魏琼任军(74)专利代理机构武汉科皓知识产权代理事务所(特殊普通合伙)42222代理人魏波(51)Int.Cl.G06F17/50(2006.01)权利要求书3页说明书8页附图4页(54)发明名称一种风力机翼型与叶片外形参数一体化设计方法(57)摘要本发明公开了一种风力机翼型与叶片外形参数一体化设计方法，以三维叶片泛函集成表达式为出发点，此表达式将翼型参数表达及叶片三维形状表达集成于一体，能够很好的实现翼型与叶片并行设计；然后分别建立翼型设计模块和叶片气动外形设计模块，这两个模块之间通过气动力插值实现数据的传递机制；最后，采用MATLAB语言编制并行设计策略，制定收敛策略，若满足收敛条件则输出新翼型族及叶片气动外形数据，否则，返回开始程序。本发明突破传统的风力机叶片串行设计方法，基于叶片三维集成数学表达方程，将翼型廓线与叶片气动外形参数联立起来，通过MATLAB并行计算程序，实现翼型与叶片并行优化设计方法。CN105868470ACN105868470A权利要求书1/3页1.一种风力机翼型与叶片外形参数一体化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：基于三维叶片泛函集成表达式，将翼型参数表达及叶片三维形状表达集成于一体，构建三维叶片集成表达式；步骤2：分别建立翼型设计模块和叶片气动外形设计模块，这两个模块之间通过气动力插值实现数据的传递机制；步骤3：并行设计；步骤4：判断翼型设计模块中目标函数与叶片设计模块中目标函数是否收敛；若否，则回转执行所述步骤1；若是，则输出新翼型族及叶片气动外形数据。2.根据权利要求1所述的风力机翼型与叶片外形参数一体化设计方法，其特征在于，步骤1中所述三维叶片集成表达式为：其中，x为翼型横坐标，y为翼型纵坐标，z为空间三维叶片沿展向坐标；a为1/4翼型弦长；R为叶片半径，r为翼型矢径；XM为翼型气动中心展向位置；u为叶片展向位置，u∈[0,1]；c(u)为弦长分布函数；β(u)为扭角分布函数；所述三维叶片集成表达式能表征任意可能的叶片几何形状的集成：即集成叶片的空间坐标翼型分布、叶片弦长分布、叶片扭角分布。3.根据权利要求1所述的风力机翼型与叶片外形参数一体化设计方法，其特征在于，步骤2中采用泛函集成理论作为翼型设计模块，其具体实现包括以下子步骤：步骤A1：确定翼型集成公式；式中，x为翼型横坐标，y为翼型纵坐标；r为翼型的矢径；为翼型控制方程函数；ak、bk为系数，θ为幅角，a为1/4翼型弦长；步骤A2：确定目标函数；以各翼型最大升阻比作为翼型设计模块目标函数，以光滑条件下升阻比最大为目标函数之一：f1(x)＝max(CL/CD)；其中CL为升力系数，CD为阻力系数；步骤A3：确定设计变量；选取翼型控制方程函数的第1到第8项系数作为优化设计的变量，确定设计变量为：X1＝(a1,b1,a2,b2,a3,b3,a4,b4)；步骤A4：确定约束条件；2CN105868470A权利要求书2/3页对翼型控制方程函数前8项系数进行约束，其约束条件如表1：表1设计变量范围对翼型最大相对厚度进行约束，其最大相对厚度分别约束在40％、35％、30％、25％、21％、18％及15％。4.根据权利要求1所述的风力机翼型与叶片外形参数一体化设计方法，其特征在于，步骤2中所述叶片气动外形设计模块，其具体实现包括以下子步骤：步骤B1：基于动量叶素理论，确定功率系数；2Y1＝4Fsinφ/(σCnF1)；Cn＝Clcosφ+Cdsinφ；Y2＝4Fsinφcosφ/(σCtF1)；Ct＝Clsinφ-Cdcosφ；σ＝Bc/(2πr)；式中，λ为叶尖速比；R为风轮半径；a为轴向诱导因子，a’为周向诱导因子；Cn为法向力系数；Ct为径向力系数；B为叶片个数；c为叶片某截面弦长；r为叶片某截面半径；Φ为叶素入流角；步骤B2：确定目标函数；以风力机功率系数最大作为叶片气动外形设计目标函数：F1(X)＝max(CP)；步骤B3：确定设计变量；选取叶片的弦长、扭角作为设计变量；采用样条曲线控制点作为设计变量点，弦长和扭角各8个；步骤B4：确定约束条件；其约束条件如表2：表2设计变量的约束范围3CN105868470A权利要求书3/3页5.根据权利要求1所述的风力机翼型与叶片外形参数一体化设计方法，其特征在于，步骤3中所述并行设计，其具体实现包括以下子步骤：步骤3.1：编制三维叶片集成表达主程序；步骤3.2：编制两个子程序