一种风力机叶片翼型设计方法

本发明属于风力机工程，尤其涉及一种风力机叶片翼型设计方法。

背景技术：

1、风力机叶片由不同种类翼型沿展向堆叠而成，因此二维截面翼型的气动性能决定了风能利用率，设计出具有良好气动性能的翼型是增强叶片风能利用率的关键，故目前翼型优化均旨在提高其气动性能。然而叶片在旋转过程中，由于风向的不确定性，会受到复杂的非定常气动载荷，这对叶片结构性能提出更高的要求。叶片结构性能直接决定着整机的经济性、安全性与运行稳定性，在目前实际运营的风电场中，造成风力发电机组故障停机的主要部位是叶片，叶片设计结构强度不足导致的开裂与折断情况时有发生。叶片结构性能的优劣主要体现在翼型横截面刚度，其横截面刚度越大，受外界载荷作用时抵抗变形的能力越强。因此，风力机叶片横截面翼型的结构强度设计十分重要，对风力机叶片整体性能的提升有着决定性作用，对风力机产业的持续发展有着举足轻重的指导意义。同领域的现有发明仅考虑了翼型气动设计时的稳定性，未考虑翼型结构性能，在实际应用中有其设计的局限性。

技术实现思路

1、本发明提供一种风力机叶片翼型设计方法，以解决现有技术中风力机叶片翼型在设计时仅考虑叶片翼型的气动性能，未能考虑叶片翼型的结构性能，导致叶片整体性能较低的技术问题。

2、本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

3、提供一种风力机叶片翼型设计方法，包括以下步骤：

4、获取叶片翼型的样本点集，并计算所述叶片翼型的气动参数和结构参数；

5、根据所述样本点集的几何参数、所述叶片翼型的所述气动参数和所述结构参数，建立所述叶片翼型的代理模型；

6、采用考虑所述结构参数的优化算法，对所述代理模型进行优化设计，获取优化设计翼型。

7、较佳地，所述获取叶片翼型的样本点集，包括步骤：对所述叶片翼型进行几何参数化处理，获取寻优空间；在所述寻优空间内抽取样本点，形成所述样本点集。

8、较佳地，所述计算所述叶片翼型的气动参数和结构参数，包括步骤：建立所述叶片翼型的网格模型，并对所述网格模型进行力学分析，获取所述气动参数；获取所述叶片翼型的横截面的几何数据，计算得到所述结构参数。

9、较佳地，所述气动参数包括升力系数、阻力系数及升阻比；和/或，所述结构参数包括截面惯性矩和扭转惯性矩。

10、较佳地，根据所述样本点集的几何参数、所述叶片翼型的所述气动参数和所述结构参数，建立所述叶片翼型的代理模型，包括步骤：根据所述几何参数，获取所述样本点集中的各样本点所对应的输入向量；根据所述气动参数和所述结构参数，获取各所述样本点的响应值；根据所述输入向量和所述响应值，建立所述叶片翼型的克里金模型；

11、较佳地，所述风力机叶片翼型设计方法还包括步骤：基于初始的所述样本点集获取的所述克里金模型，计算出ei函数；采用单纯形法计算出所述ei函数的最大值，并将所述最大值所对应的所述样本点添加至所述样本点集；重述上述步骤，不断加入新的所述样本点，直至生成的所述克里金模型满足预设精度。

12、较佳地，所述采用考虑所述结构参数的优化算法，对所述代理模型进行优化设计，获取优化设计翼型，包括步骤：建立优化目标函数，以目标函数最大为优化目标，获取所述优化设计翼型，其中，所述目标函数为：

13、

14、式中，cl与cd分别为所述叶片翼型的升力系数与阻力系数，α1和α2分别为选择的两个攻角，ix与iy为所述叶片翼型横截面绕x轴和y轴的截面惯性矩，j为所述叶片翼型横截面绕形心的扭转惯性矩，w1、w2、w3与w4为权重系数，且w1+w2+w3+w4＝1。

15、较佳地，所述建立优化目标函数，以目标函数最大为优化目标，获取所述优化设计翼型，还包括步骤：确立优化数学模型，以所述优化目标函数最大为优化目标，采用全局优化算法对所述叶片翼型进行优化设计，所述优化数学模型为：

16、

17、式中：tmax与tcmax分别为翼型最大相对厚度与最大厚度所在位置，low与up表示取值范围上下限，上标0是表示基准翼型的参数；设定所述优化目标需满足的约束条件，所述约束条件为升力系数增大、阻力系数减小、截面惯性矩和扭转惯性矩增大；判断所述优化目标是否满足所述约束条件，若是，则输出优化翼型，若否，则继续添加样本点，直至满足所述约束条件。

18、较佳地，所述风力机叶片翼型设计方法还包括步骤：若相邻两次所述数学优化模型计算输出的值的误差小于收敛误差，则输出优化结果，结束优化流程。

19、较佳地，所述风力机叶片翼型设计方法还包括步骤：采用cst参数化方法对所述翼型叶片进行参数化处理；和/或，采用优化的拉丁超立方抽样方法获取所述样本点集；和/或，在ansys icem软件中建立所述叶片翼型的网格拓扑模型，生成结构网格，并在fluent软件中设置边界条件及进行流场计算与分析。

20、本发明的积极进步效果在于：

21、本发明在进行风力机叶片翼型设计时，综合考虑了叶片翼型的气动性能与结构强度，不仅提高了叶片翼型的气动性能，而且增强了叶片翼型的结构稳定性，从而获得综合性能更加优异的叶片翼型，使叶片整体性能获得增强。

技术特征：

1.一种风力机叶片翼型设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的风力机叶片翼型设计方法，其特征在于，所述获取叶片翼型的样本点集，包括以下步骤：

3.如权利要求1所述的风力机叶片翼型设计方法，其特征在于，所述计算所述叶片翼型的气动参数和结构参数，包括以下步骤：

4.如权利要求1所述的风力机叶片翼型设计方法，其特征在于，

5.如权利要求1所述的风力机叶片翼型设计方法，其特征在于，根据所述样本点集的几何参数、所述叶片翼型的所述气动参数和所述结构参数，建立所述叶片翼型的代理模型，包括以下步骤：

6.如权利要求5所述的风力机叶片翼型设计方法，其特征在于，所述风力机叶片翼型设计方法还包括以下步骤：

7.如权利要求1所述的风力机叶片翼型设计方法，其特征在于，所述采用考虑所述结构参数的优化算法，对所述代理模型进行优化设计，获取优化设计翼型，包括以下步骤：

8.如权利要求7所述的风力机叶片翼型设计方法，其特征在于，所述建立优化目标函数，以目标函数最大为优化目标，获取所述优化设计翼型，还包括以下步骤：

9.如权利要求8所述的风力机叶片翼型设计方法，其特征在于，所述风力机叶片翼型设计方法还包括以下步骤：

10.如权利要求1所述的风力机叶片翼型设计方法，其特征在于，所述风力机叶片翼型设计方法还包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种风力机叶片翼型设计方法，属于风力机工程技术领域。风力机叶片翼型设计方法包括以下步骤：获取叶片翼型的样本点集，并计算叶片翼型的气动参数和结构参数；根据样本点集的几何参数、叶片翼型的气动参数和结构参数，建立叶片翼型的代理模型；采用考虑结构参数的优化算法，对代理模型进行优化设计，获取优化设计翼型。本发明在进行风力机叶片翼型设计时，综合考虑了叶片翼型的气动性能与结构强度，不仅提高了叶片翼型的气动性能，而且增强了叶片翼型的结构稳定性，从而获得综合性能更加优异的叶片翼型，使叶片整体性能获得增强。

技术研发人员：张强,潘雨润,徐涛,岳敏楠,朱雨佳,翁宇杰,李春,缪维跑
受保护的技术使用者：上海理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/23