一种风力机叶片气动外形与主机运行特性耦合优化方法.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CN106677979A(43)申请公布日2017.05.17(21)申请号201611232260.7(22)申请日2016.12.28(71)申请人中原工学院地址451191河南省郑州市新郑市双湖镇经济技术开发区淮河路1号(72)发明人郭小锋施兰枚聂守宏杨树峰孙千涛(74)专利代理机构郑州优盾知识产权代理有限公司41125代理人张绍琳孙诗雨(51)Int.Cl.F03D1/06(2006.01)F03D3/06(2006.01)G06F17/50(2006.01)权利要求书4页说明书11页附图5页(54)发明名称一种风力机叶片气动外形与主机运行特性耦合优化方法(57)摘要本发明公开了一种风力机叶片气动外形与主机运行特性耦合优化方法，步骤如下：步骤S1，构造风力机叶片的全局弦长分布模型；步骤S2，构造风力机叶片的全局扭角分布模型；步骤S3，构造控制变量X；步骤S4，构造叶片弦长C、叶片弯矩M和风轮对塔筒的推力T的约束条件；S5，构造目标函数F(X)；S6，构造含有若干个粒子的粒子群，并对各粒子群进行迭代优化处理，得到最优叶片外形。本发明使用贝塞尔曲线表征叶片，实现叶片气动外形的全局参数化表达；在选取最优叶片时，叶片年发电量的计算充分考虑不同风速情况下实际发电量，优化设计中同时实现了叶片外形和主机运行特性的设计，可实现设计叶片与目标主机的最佳匹配，提高叶片在低风速区域的气动性能，避免叶片早期失速的发生。CN106677979ACN106677979A权利要求书1/4页1.一种风力机叶片气动外形与主机运行特性耦合优化方法，其特征在于，步骤如下：步骤S1，构造风力机叶片的全局弦长分布模型；步骤S2，构造风力机叶片的全局扭角分布模型；步骤S3，从步骤S1中全局弦长分布模型和步骤S2中全局扭角分布模型中选取变量构造控制变量X；步骤S4，构造叶片弦长C、叶片弯矩M和风轮对塔筒的推力T的约束条件；S5，构造目标函数F(X)；具体公式如下：F(X)＝AEP*p1*p2*p3(9)；其中，AEP为叶片年发电量，计算公式为：其中，f(vi＜v0＜vi+1)为一年中风速位于vi和vi+1之间的概率；p(vi)为风速位于vi时风力机的发电功率；p1、p2和p3为惩罚因子；惩罚因子p1与叶片弦长C有关，当C≤Cmax时，p1＝1，否则，p1＝(Cmax/C)^2；惩罚因子p2与叶根弯矩M有关，当M≤Mmax时，p2＝1，否则，p2＝(Mmax/M)^2；叶根弯矩M的计算公式为：其中，a为轴向诱导因子，F为普朗特叶尖损失修正因子；R为叶片的长度，ρ为空气密度；v为风速；惩罚因子p3与风轮推力T有关，当T≤Tmax时，p3＝1，否则，p3＝(Tmax/T)^2；风轮推力T的计算公式为：其中，a为轴向诱导因子，F为普朗特叶尖损失修正因子；R为叶片的长度，ρ为空气密度；v为风速；S6，以设计变量X为粒子构造含有若干个粒子的粒子群，并对各粒子群进行迭代优化处理，得到最优叶片外形。2.根据权利要求1所述的一种风力机叶片气动外形与主机运行特性耦合优化方法，其特征在于，在步骤S1中，具体步骤如下：S1.1，构造n个控制点，每个控制点的横坐标为定值，第一个控制点c1、第二个控制点c2和第n个控制点cn为固定控制点；第一个控制点c1的纵坐标和第二个控制点c2的纵坐标设定为叶根的直径,第n-1个控制点cn-1的纵坐标为第n-2个控制点cn-2纵坐标的1.5倍，第n个控制点cn的纵坐标为0,第三个控制点c3至第n-2个控制点cn-2的纵坐标为设计变量；S1.2，根据步骤S1.1中的n个控制点得到风力机叶片全局弦长分布的n-1阶贝塞尔曲线C(u)：2CN106677979A权利要求书2/4页其中，n为控制点的个数；Pi表示第i个控制点的横坐标和纵坐标；u为比例因子，且u∈[0,1]；Bi,n(u)为Bernstein多项式，具体公式为：3.根据权利要求1所述的一种风力机叶片气动外形与主机运行特性耦合优化方法，其特征在于，在步骤S2中，具体步骤如下：S2.1，构造m个控制点，每个控制点的横坐标为定值，第一个控制点t1、第二个控制点t2、第三个控制点t3、第m-1个控制点tm-1和第m个控制点tm为固定控制点；第一个控制点t1、第二个控制点t2和第三个控制点t3的纵坐标相等；第四个控制点t4和第六个控制点t6的纵坐标相等；第m-1个控制点tm-1和第m个控制点tm的纵坐标为0；第五个控制点t5至第m-2个控制点tm-2的纵坐标为设计变量；S2.2，根据步骤S2.1中的m个控制点得到风力机叶片全局扭角分布的m-1阶贝塞尔曲线C(u)；其中，m为控制点的个数；Pi表示第i个控制点的横坐标和纵坐标；u为比例因子，