一种风轮叶片优化设计方法、系统、设备及存储介质技术方案

本发明专利技术属于风电设计技术领域，具体公开了一种风轮叶片优化设计方法、系统、设备及存储介质，通过对叶片设计的优化变量进行相应约束条件筛选，以保证叶片性能，缩减优化变量分析数量，提升优化计算效率；通过对气动噪声的约束，以减少叶片噪声污染，使其满足相关环保要求；通过对功率系数和推力系数的约束，以保证叶片外型具有良好的气动特性；通过对叶片净空的约束，以保证叶片的刚度；通过对气弹稳定性及叶片重量的约束，以保证叶片的稳定性和应用安全性。本发明专利技术基于中尺度模拟结果和整机模型年发电量计算，可以实现叶片的增效降本，大大提高叶片的优化设计效率，从而使设计的叶片产品更具有市场竞争力。品更具有市场竞争力。品更具有市场竞争力。

【技术实现步骤摘要】
一种风轮叶片优化设计方法、系统、设备及存储介质


[0001]本专利技术属于风电设计
，具体涉及一种风轮叶片优化设计方法
、
系统
、
设备及存储介质
。

技术介绍

[0002]低风速大叶片作为决定低风速风电机组性能和成本的核心部件之一，其优化设计至关重要，而传统的风轮叶片优化设计还存在以下问题亟需改进：
1、
传统设计气动和结构设计割裂
。
[0003]2、
低风速长叶片不可避免地带来气弹稳定性问题，这个对于叶片安全稳定性非常关键，而传统设计缺乏对于气弹稳定性的考量
。
[0004]3、
环保要求越来越高，风机的噪声污染越来越严重，气动噪声是风机噪声最主要的部分，而传统设计缺乏对于噪声的考量
。
[0005]4、
风轮优化变量数目很多，传统设计全部都考虑，计算效率很低
。
[0006]5、
风速的分布对于风力发电机的发电量计算至关重要，传统设计通过标准威布尔分布计算的发电量存在偏差
。
[0007]因此，现阶段迫切需要更先进
、
更安全
、
更智能以及充分考虑环保性的叶片优化设计方法
。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是提供一种风轮叶片优化设计方法
、
系统
、
设备及存储介质，用以解决现有技术中存在的上述问题
。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，提供一种风轮叶片优化设计方法，包括：获取各叶片气动外形优化变量，并根据各叶片气动外形优化变量构建对应的叶片气动外形；对各叶片气动外形进行气动性能及气动噪声计算，得到对应的推力系数
、
功率系数和气动噪声；基于设定的推力系数约束条件
、
功率系数约束条件和气动噪声约束条件对各叶片气动外形进行筛选，得到筛选出的各叶片气动外形；获取各叶片结构铺层优化变量，并根据各叶片结构铺层优化变量构建对应的叶片结构铺层；将各叶片结构铺层与筛选出的各叶片气动外形进行任意组合，得到若干叶片模型，并采用频域分析法对各叶片模型进行频域分析，确定对应的气弹稳定性和叶片重量；基于设定的气弹稳定性约束条件和叶片重量约束条件对各叶片模型进行筛选，得到筛选出的叶片模型；对筛选出的各叶片模型进行动态载荷计算，得到对应的叶根疲劳载荷
、
叶根最大
极限载荷和叶片净空；筛选出叶片净空满足设定叶片净空约束条件的若干叶片模型，并基于叶片气动外形
、
叶片结构铺层及载荷情况对筛选出的若干叶片模型进行强度和刚度校核，所述载荷情况包括叶根疲劳载荷和叶根最大极限载荷；将强度和刚度校核通过的各叶片模型组合到设定的风电机组模型中，得到对应的整机模型，并基于中尺度模拟结果计算各整机模型对应的年发电量；以叶根疲劳载荷最小和整机模型年发电量最大为优化目标，采用多目标优化方法选取出对应的叶片模型作为最优叶片模型，输出最优叶片模型
。
[0010]在一个可能的设计中，所述叶片气动外形优化变量包括叶片长度
、
叶片翼型分布
、
叶片弦长分布
、
叶片厚度分布和叶片扭角分布，所述叶片结构铺层优化变量包括叶片主梁厚度分布
、
叶片辅梁厚度分布和叶根斜角布厚度分布
。
[0011]在一个可能的设计中，所述对各叶片气动外形进行气动性能及气动噪声计算，包括：采用叶素动量方法和
/
或计算流体力学方法对各叶片气动外形进行气动性能及气动噪声计算
。
[0012]在一个可能的设计中，所述对各叶片模型进行动态载荷计算，得到叶根疲劳载荷
、
叶根最大极限载荷和叶片净空，包括：采用第三方载荷计算软件并选取典型工况对各叶片模型进行动态载荷计算，得到对应的叶根疲劳载荷
、
叶根最大极限载荷和叶片净空
。
[0013]在一个可能的设计中，所述叶片净空包括静态净空
CS
和动态净空
CT
，所述叶片净空约束条件为
CS
×
30%<CT。
[0014]在一个可能的设计中，所述基于叶片气动外形
、
叶片结构铺层
、
载荷情况以及设定的材料信息对筛选出的若干叶片模型进行强度和刚度校核，包括：获取设定的材料信息和技术要求，根据叶片气动外形
、
叶片结构铺层
、
载荷情况
、
材料信息和技术要求进行有限元模型加载；基于加载的有限元模型进行叶片整体的强度和刚度分析，包括静强度分析
、
固有频率分析和疲劳分析，得到分析结果，并基于分析结果判定强度和刚度校核是否通过
。
[0015]在一个可能的设计中，所述基于中尺度模拟结果计算各整机模型对应的年发电量，包括：获取设定的中尺度模拟结果，将中尺度模拟结果导入预置的年发电量计算模型中进行计算，得到各整机模型对应的年发电量，所述年发电量计算模型为其中，
P
为年发电量，
U
in
为切入风速，
U
out
为切出风速，
fw(U)
为年风速的累计分布，
p(U)
为相应风速下的功率值，
U
为风速变量
。
[0016]第二方面，提供一种风轮叶片优化设计系统，包括第一获取单元
、
第一计算单元
、
第一筛选单元
、
第二获取单元
、
频域分析单元
、
第二筛选单元
、
第二计算单元
、
筛选校核单元
、
第三计算单元和优化选取单元，其中：第一获取单元，用于获取各叶片气动外形优化变量，并根据各叶片气动外形优化
变量构建对应的叶片气动外形；第一计算单元，用于对各叶片气动外形进行气动性能及气动噪声计算，得到对应的推力系数
、
功率系数和气动噪声；第一筛选单元，用于基于设定的推力系数约束条件
、
功率系数约束条件和气动噪声约束条件对各叶片气动外形进行筛选，得到筛选出的各叶片气动外形；第二获取单元，用于获取各叶片结构铺层优化变量，并根据各叶片结构铺层优化变量构建对应的叶片结构铺层；频域分析单元，用于将各叶片结构铺层与筛选出的各叶片气动外形进行任意组合，得到若干叶片模型，并采用频域分析法对各叶片模型进行频域分析，确定对应的气弹稳定性和叶片重量；第二筛选单元，用于基于设定的气弹稳定性约束条件和叶片重量约束条件对各叶片模型进行筛选，得到筛选出的叶片模型；第二计算单元，用于对筛选出的各叶片模型进行动态载荷计算，得到对应的叶根疲劳载荷
、
叶根最大极限载本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种风轮叶片优化设计方法，其特征在于，包括：获取各叶片气动外形优化变量，并根据各叶片气动外形优化变量构建对应的叶片气动外形；对各叶片气动外形进行气动性能及气动噪声计算，得到对应的推力系数
、
功率系数和气动噪声；基于设定的推力系数约束条件
、
功率系数约束条件和气动噪声约束条件对各叶片气动外形进行筛选，得到筛选出的各叶片气动外形；获取各叶片结构铺层优化变量，并根据各叶片结构铺层优化变量构建对应的叶片结构铺层；将各叶片结构铺层与筛选出的各叶片气动外形进行任意组合，得到若干叶片模型，并采用频域分析法对各叶片模型进行频域分析，确定对应的气弹稳定性和叶片重量；基于设定的气弹稳定性约束条件和叶片重量约束条件对各叶片模型进行筛选，得到筛选出的叶片模型；对筛选出的各叶片模型进行动态载荷计算，得到对应的叶根疲劳载荷
、
叶根最大极限载荷和叶片净空；筛选出叶片净空满足设定叶片净空约束条件的若干叶片模型，并基于叶片气动外形
、
叶片结构铺层及载荷情况对筛选出的若干叶片模型进行强度和刚度校核，所述载荷情况包括叶根疲劳载荷和叶根最大极限载荷；将强度和刚度校核通过的各叶片模型组合到设定的风电机组模型中，得到对应的整机模型，并基于中尺度模拟结果计算各整机模型对应的年发电量；以叶根疲劳载荷最小和整机模型年发电量最大为优化目标，采用多目标优化方法选取出对应的叶片模型作为最优叶片模型，输出最优叶片模型
。2.
根据权利要求1所述的一种风轮叶片优化设计方法，其特征在于，所述叶片气动外形优化变量包括叶片长度
、
叶片翼型分布
、
叶片弦长分布
、
叶片厚度分布和叶片扭角分布，所述叶片结构铺层优化变量包括叶片主梁厚度分布
、
叶片辅梁厚度分布和叶根斜角布厚度分布
。3.
根据权利要求1所述的一种风轮叶片优化设计方法，其特征在于，所述对各叶片气动外形进行气动性能及气动噪声计算，包括：采用叶素动量方法和
/
或计算流体力学方法对各叶片气动外形进行气动性能及气动噪声计算
。4.
根据权利要求1所述的一种风轮叶片优化设计方法，其特征在于，所述对各叶片模型进行动态载荷计算，得到叶根疲劳载荷
、
叶根最大极限载荷和叶片净空，包括：采用第三方载荷计算软件并选取典型工况对各叶片模型进行动态载荷计算，得到对应的叶根疲劳载荷
、
叶根最大极限载荷和叶片净空
。5.
根据权利要求1所述的一种风轮叶片优化设计方法，其特征在于，所述叶片净空包括静态净空
CS
和动态净空
CT
，所述叶片净空约束条件为
CS
×
30%<CT。6.
根据权利要求1所述的一种风轮叶片优化设计方法，其特征在于，所述基于叶片气动外形
、
叶片结构铺层
、
载荷情况以及设定的材料信息对筛选出的若干叶片模型进行强度和刚度校核，包括：
获取设定的材料信息和技术要求，根据叶片气动外形
、
叶片结构铺层
、
载荷情况
、
材料信息和技术要求进行有限元模型加载；基于加载的有限元模型进行叶片整体的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘栋，陈晨，买小平，刘浩，程澍谋，赵韵，闫中杰，石杭，燕志婷，韩战，
申请(专利权)人：中船风电清洁能源科技北京有限公司中船风电工程技术天津有限公司，
类型：发明
国别省市：