一种物理模型试验适用的实验室尺度风力发电机叶片设计方法技术

本发明专利技术提供一种物理模型试验适用的实验室尺度风力发电机叶片设计方法，包括风机气动载荷的模型的构建方法及风机叶轮模型的最优解的构建方法。由于传统的风机叶片模型均采用基于叶片翼形气动系数的直接设计法，该方法需要针对设计目标进行手动迭代循环设计，效率较低。本发明专利技术提出的方法及模型，可以在给定设计目标和初始条件的情况下，利用遗传算法进行优化设计，得到需要的风机叶片模型，效率更高，优化设计效果更好。化设计效果更好。化设计效果更好。

【技术实现步骤摘要】
一种物理模型试验适用的实验室尺度风力发电机叶片设计方法


[0001]本专利技术设计发电机
，尤其涉及一种物理模型试验适用的实验室尺度风力发电机叶片设计方法。

技术介绍

[0002]海上风力发电机组按支撑基础的类型可分为固定式和漂浮式。目前，国内已建成的海上风电场均采用固定式海上风机。随着水深不断增加，各种传统的固定式海上风机已难以满足深远海风能开发的要求，按照目前科研与工程水平，国际上普遍认为，当工作水深超过50米后，采用海上漂浮式风机基础与锚泊系统作为开发手段，具有更好的经济效益与更广阔的市场前景。中国具有非常丰富的深远海风能资源，漂浮式风机将成为未来海上风电开发的必由之路。
[0003]与传统的浮式油气平台相比，浮式风机增加了上部的塔架与叶片结构。其浮式基础在受到水动力载荷的同时，风机叶轮还会受到较大的气动载荷，因此，对于浮式风机的使用安全性需要更加严谨。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术存在的问题，本专利技术目的在于提供提出了一种物理模型试验适用的实验室尺度风力发电机叶片设计方法，其能较全面地兼顾叶片荷载的影响。
[0005]为达上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种物理模型试验适用的实验室尺度风力发电机叶片设计方法，其特征在于，包括风机气动载荷的模型的构建方法及风机叶轮模型的最优解的构建方法；
[0007]所述风机气动载荷的模型的构建方法包括：
[0008]确定风机叶轮的与气动载荷的相关的模型参数；
[0009]引入轴向与切向诱导因子a、b；
[0010]初始化诱导因子a、b；计算相对风速与叶素之间的夹角、攻角；
[0011]通过风速与叶素之间的夹角、攻角，获得诱导因子a
’
、b
’
；
[0012]判断a≈a
′
，b≈b
′
是否成立，若不成立则返回初始化诱导因子，若成立则计算相对风速、单位长度圆环控制体所受载荷，最终得到叶轮所受重载荷。
[0013]所述风机叶轮模型的最优解的构建方法包括；
[0014]确定风机叶轮的尺寸和性能参数的原型，通过遗传算法得到符合推力、扭矩相似的风机叶轮模型的最优解；所述遗传算法的选择过程中，通过所述的风机气动载荷的模型的构建方法中所述的风机气动载荷模型编写适值函数。
[0015]作为优选，述风机气动载荷的模型的构建方法包括：
[0016]S1、确定风机叶轮的与气动载荷的相关的模型参数，包括以下步骤：
[0017]假设风机叶轮半径为R，叶片数为n；翼型已知，对应升、阻力系数曲线为C
L
(α)、 C
D
(α)，弦长为C，桨距角为θ；未受扰动的来流风速为v1，流过叶轮平面后的速度为v2，叶轮转速为Ω；取叶轮平面内半径为r处，宽度为dr的圆环流管为控制体，并假定：控制体之间相互独立；叶片对流体的作用力均匀分布；因此，将叶轮划分为N个圆环控制体，圆环控制体中线的半径分别为r1、r2、r3、
……
、 r
N
(r
i
)，对应弦长为C
i
，桨距角θ
i
，叶片实度
[0018]S2、引入轴向与切向诱导因子a，b。
[0019][0020][0021]S3、初始化诱导因子a，b；
[0022]S4、计算相对风速与叶素之间的夹角
[0023]S5、确定攻角α＝φ
‑
θ；
[0024]S6、根据翼型升、阻力曲线C
L
(α)、C
D
(α)，确定升、阻力系数C
L
、C
D
；
[0025]S7、计算轴向力与切向力系数：
[0026]C
N
＝C
L
cosφ+C
D
sinφ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0027]C
T
＝C
L
sinφ+C
D
cosφ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0028]S8、重新计算诱导因子：
[0029][0030][0031]S9、判断a≈a
′
，b≈b
′
是否成立，若不成立则返回步骤S1重新迭代，若成立则进行下一步计算；
[0032]S10、计算相对风速：
[0033][0034][0035]S11、计算单位长度圆环控制体所受载荷(推力，扭矩)：
[0036][0037][0038]S12、对公式(8)、(9)沿叶片径向积分，得到叶轮所受总载荷模型；所述叶轮所受总载荷模型为风机气动载荷的模型。
[0039]作为优选，所述风机叶轮模型的最优解的构建方法包括；
[0040]构成初试种群：对风机叶轮的每个叶片单元的叶片参数拟合离散模型，得到多个叶片单元；对离散模型中的每个叶片单元对应的翼型、弦长、扭角；进行编码，离散模型中的每个叶片单元对应的翼型、弦长、扭角参数组成设计变量空间；在所述设计变量空间中，随机生成若干个初始叶片单元，构成初试种群；
[0041]选择过程：根据风机气动载荷模型编写适值函数，计算所述初试种群中每个初始叶片单元的个体适值，并根据个体适值选择优秀个体作为父代，用以生成子代个体；
[0042]交叉过程：将选择过程中得到的优秀个体作为父代，利用交叉算子，通过交叉重组父代个体的基因结构，得到新的子代个体；
[0043]变异过程：将选择过程中得到的优秀个体作为父代，利用变异算子，随机对单个父代个体的基因作改动，从而生成新的子代个体；
[0044]替换过程：将通过选择、交叉和变异过程生成的新的子代个体作为当代种群，进行评估、选择、交叉及交易，用以生成下一代子代个体；
[0045]计算终止：设置适值函数的最优解的容许值，如果在优化过程中出现个体适值小于容许值的情况，则该个体适值为最优解、且对应的初始叶片单元为最优秀个体，终止运算，如果达到预设的最大进化代数，则所有最优秀个体对应的个体适值作为最优解输出，终止计算。
[0046]获得风机叶轮模型的最优解：风机叶轮模型的叶片单元对应的翼型、弦长、扭角采用最优解，即获得风机叶轮模型的最优解。
[0047]作为优选，所述初始叶片单元为具有不同气动外形的叶片单元。
[0048]本专利技术的有益效果为：
[0049]由于传统的风机叶片模型均采用基于叶片翼形气动系数的直接设计法，该方法需要针对设计目标进行手动迭代循环设计，效率较低。本专利技术提出的方法及模型，可以在给定设计目标和初始条件的情况下，利用遗传算法进行优化设计，得到需要的风机叶片模型，效率更高，优化设计效果更好。
附图说明
[0050]下面根据附图和实施例对本专利技术作进一步详细说明。
[0051]图1是本专利技术所述的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种物理模型试验适用的实验室尺度风力发电机叶片设计方法，其特征在于，包括风机气动载荷的模型的构建方法及风机叶轮模型的最优解的构建方法；所述风机气动载荷的模型的构建方法包括：确定风机叶轮的与气动载荷的相关的模型参数；引入轴向与切向诱导因子a、b；初始化诱导因子a、b；计算相对风速与叶素之间的夹角、攻角；通过风速与叶素之间的夹角、攻角，获得诱导因子a
’
、b
’
；判断a≈a
′
，b≈b
′
是否成立，若不成立则返回初始化诱导因子，若成立则计算相对风速、单位长度圆环控制体所受载荷，最终得到叶轮所受重载荷。所述风机叶轮模型的最优解的构建方法包括；确定风机叶轮的尺寸和性能参数的原型，通过遗传算法得到符合推力、扭矩相似的风机叶轮模型的最优解；所述遗传算法的选择过程中，通过所述的风机气动载荷的模型的构建方法中所述的风机气动载荷模型编写适值函数。2.根据权利要求1所述的物理模型试验适用的实验室尺度风力发电机叶片设计方法，其特征在于，所述风机气动载荷的模型的构建方法包括：S1、确定风机叶轮的与气动载荷的相关的模型参数，包括以下步骤：假设风机叶轮半径为R，叶片数为n；翼型已知，对应升、阻力系数曲线为C
L
(α)、C
D
(α)，弦长为C，桨距角为θ；未受扰动的来流风速为v1，流过叶轮平面后的速度为v2，叶轮转速为Ω；取叶轮平面内半径为r处，宽度为dr的圆环流管为控制体，并假定：控制体之间相互独立；叶片对流体的作用力均匀分布；因此，将叶轮划分为N个圆环控制体，圆环控制体中线的半径分别为r1、r2、r3、
……
、r
N
(r
i
)，对应弦长为C
i
，桨距角θ
i
，叶片实度S2、引入轴向与切向诱导因子a，b。b。S3、初始化诱导因子a，b；S4、计算相对风速与叶素之间的夹角S5、确定攻角α＝φ
‑
θ；S6、根据翼型升、阻力曲线C
L
(α)、C
D
(α)，确定升、阻力系数C
L
、C
D
；S7、计算轴向力与切向力系数：C
...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊天慧，马远，陈超核，卢洪超，严心宽，周诗博，杜昱宏，曾祥斌，杨跃富，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：