專利名稱：一種考慮氣動與結(jié)構(gòu)平衡的風電葉片設計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于風電葉片設計技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種考慮氣動與結(jié)構(gòu)平衡的風電葉片設計方法，用于大型風電葉片維復合材料結(jié)構(gòu)的設計。
背景技術(shù)：
風能作為可再生的綠色能源，憑借其巨大的商業(yè)潛力和環(huán)保效益，在全球的新能源行業(yè)中創(chuàng)造了最快增速，已經(jīng)形成了一個規(guī)模巨大的風力發(fā)電工業(yè)。風電葉片作為風電機組的核心部件，其設計方法的研究還有待深入。葉片設計可分為兩個階段，即氣動設計階段和結(jié)構(gòu)設計階段，在前一階段通過選擇葉片幾何最佳外形實現(xiàn)年發(fā)電量最大的目標，結(jié)構(gòu)設計階段包括葉片材料選擇和確定葉片結(jié)構(gòu)形式等，從而實現(xiàn)葉片強度、剛度、穩(wěn)定性等目標。迄今的葉片設計和優(yōu)化過程中，氣動和結(jié)構(gòu)的設計過程是分別開展的，同時設計葉片氣動外形和結(jié)構(gòu)會導致較大的計算量，亦沒有成熟的方法。常規(guī)方法是先進行葉片氣動形狀設計，然后是葉片結(jié)構(gòu)設計，這樣會導致優(yōu)良的氣動形狀伴隨較難實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。也有進行結(jié)構(gòu)優(yōu)先設計方法的探討，但是結(jié)構(gòu)優(yōu)先方法也很難解決設計過程分離的矛盾?？梢?， 結(jié)構(gòu)強度和氣動性能的矛盾是獲得優(yōu)秀葉片設計最大的障礙之一。在葉片設計過程中，氣動性能、載荷、結(jié)構(gòu)強度、動特性以及葉片重量是相互關(guān)聯(lián)的幾個方面，如何處理好它們之間的關(guān)系是關(guān)鍵。氣動設計方面，希望使用薄而窄的翼型， 可以提高升阻比，并且減少翼型前緣對粗糙度的敏感性；結(jié)構(gòu)設計需要增加葉片厚度以提高葉片強度和剛度，并減輕葉片重量。隨著風電機組的大型化，葉片設計能力的不足已成為制約大型高效風電機組研發(fā)的技術(shù)關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述缺陷公開了一種考慮氣動與結(jié)構(gòu)平衡的風電葉片設計方法，本發(fā)明能夠同時考慮到風電葉片的氣動與結(jié)構(gòu)設計。一種考慮氣動與結(jié)構(gòu)平衡的風電葉片設計方法，其特征在于，它包括以下步驟I)根據(jù)風電機組葉片及機組參數(shù)，將所設計葉片分為內(nèi)圈與外圈兩部分，具體說明如下設定一結(jié)構(gòu)系數(shù)K，葉片結(jié)構(gòu)系數(shù)K定義為其中，r為風電機組葉片的參考半徑；11為輪轂半徑；L為風電機組葉片總長度，選取k值為O. 5-0. 55，可以得出對應的風電機組葉片的參考半徑!■的數(shù)值，以風電機組風輪的中心點為圓心，以該參考半徑r的數(shù)值為半徑，畫出一個圓，位于此圓內(nèi)的風電機組葉片為內(nèi)圈葉片，位于此圓外的風電機組葉片為外圈葉片；2)進行內(nèi)圈葉片氣動翼型的選擇在不包括葉根區(qū)域的內(nèi)圈葉片采用相對厚度為30% 50%的翼型，用以增加葉片截面厚度；3)進行外圈葉片氣動翼型的選擇對外圈葉片進行氣動翼型選擇時，采用升力系數(shù)達到I. 5以上且相對厚度小于25%的翼型，充分發(fā)揮翼型的氣動性能；4)進行葉片氣動外形計算及優(yōu)化內(nèi)圈葉片氣動翼型和外圈葉片氣動翼型選擇完畢后，進行氣動外形的計算及優(yōu)化；5)進行風電機組葉片主梁結(jié)構(gòu)設計抗剪腹板和主梁帽構(gòu)成風電機組葉片主梁， 風電機組葉片外形由蒙皮構(gòu)成；在對主梁帽進行設計時，根據(jù)抗彎能力要求計算其厚度；在對抗剪腹板進行設計時，抗剪腹板內(nèi)圈部分設計成波紋型，以增加葉片結(jié)構(gòu)強度，抗剪腹板外圈部分仍沿用直抗剪腹板，抗剪腹板內(nèi)圈部分是指位于內(nèi)圈葉片范圍內(nèi)的抗剪腹板，抗剪腹板外圈部分是指位于外圈葉片范圍內(nèi)的抗剪腹板。所述相對厚度為30% 50%的翼型為鈍后緣翼型。采用葛勞渥方法或維爾森方法進行氣動外形的計算及優(yōu)化。本發(fā)明的有益效果為I)本發(fā)明通過將葉片分為內(nèi)圈和外圈兩部分，在內(nèi)圈選擇相對厚度較大的翼型， 使在氣動設計過程中就考慮結(jié)構(gòu)強度的要求，從而解決了氣動設計和結(jié)構(gòu)設計的矛盾。2)本發(fā)明在葉片主梁的結(jié)構(gòu)設計中，將葉片內(nèi)圈部分的主梁抗剪腹板設計成波紋型，從而有效提聞了葉片的結(jié)構(gòu)強度。


圖I示出本發(fā)明的設計步驟流程圖；圖2示出本發(fā)明的葉片結(jié)構(gòu)示意圖；圖3示出本發(fā)明的葉片展向結(jié)構(gòu)示意圖；圖4示出本發(fā)明的葉片主梁抗剪腹板的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式現(xiàn)在將參照附圖來詳細描述本發(fā)明的各種示例性實施例。應注意到除非另外具體說明，否則在這些實施例中闡述的部件和步驟的相對布置、數(shù)字表達式和數(shù)值不限制本發(fā)明的范圍。同時，應當明白，為了便于描述，附圖中所示出的各個部分的尺寸并不是按照實際的比例關(guān)系繪制的。以下對至少一個示例性實施例的描述實際上僅僅是說明性的，決不作為對本發(fā)明及其應用或使用的任何限制。對于相關(guān)領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的技術(shù)、方法和設備可能不作詳細討論，但在適當情況下，所述技術(shù)、方法和設備應當被視為授權(quán)說明書的一部分。在這里示出和討論的所有示例中，任何具體值應被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制。因此，示例性實施例的其它示例可以具有不同的值。應注意到相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步討論。
如圖I所示，一種考慮氣動與結(jié)構(gòu)平衡的風電葉片設計方法包括以下步驟I)根據(jù)風電機組葉片及機組參數(shù)，將所設計葉片分為內(nèi)圈與外圈兩部分，具體說明如下設定一結(jié)構(gòu)系數(shù)K，如圖2所示，葉片結(jié)構(gòu)系數(shù)K定義為其中，r為風電機組葉片的參考半徑山為輪轂半徑；L為風電機組葉片總長度，選取k值為O. 5-0. 55，可以得出對應的風電機組葉片的參考半徑!■的數(shù)值，以風電機組風輪的中心點為圓心，以該參考半徑r的數(shù)值為半徑，畫出一個圓，位于此圓內(nèi)的風電機組葉片為內(nèi)圈葉片，位于此圓外的風電機組葉片為外圈葉片；內(nèi)圈葉片以結(jié)構(gòu)強度設計為主，外圈葉片以最大限度發(fā)揮翼型的空氣動力特性為主，這樣不但可以增強葉片的結(jié)構(gòu)強度，而且葉片整體氣動性能也可得以保持；2)進行內(nèi)圈葉片氣動翼型的選擇因為內(nèi)圈葉片所承受的彎曲和疲勞載荷很大， 需要側(cè)重結(jié)構(gòu)強度要求設計，本發(fā)明選擇相對厚度較大的翼型，在不包括葉根區(qū)域的內(nèi)圈葉片采用相對厚度為30% 50 %的翼型(例如，采用相對厚度為30 % 50%的鈍后緣翼型)，用以增加葉片截面厚度；3)進行外圈葉片氣動翼型的選擇外圈葉片所受載荷相對較小，且其捕風能力要求較高。對外圈葉片進行氣動翼型選擇時，采用升力系數(shù)達到1.5以上且相對厚度小于 25%的翼型，充分發(fā)揮翼型的氣動性能；4)進行葉片氣動外形計算及優(yōu)化內(nèi)圈葉片氣動翼型和外圈葉片氣動翼型選擇完畢后，采用葛勞渥(Glauert)方法或維爾森(Wilson)方法進行氣動外形的計算及優(yōu)化；5)進行風電機組葉片主梁結(jié)構(gòu)設計葉片結(jié)構(gòu)如圖3所示，風電機組葉片主要由葉片根部I、蒙皮3、抗剪腹板4和主梁帽5構(gòu)成，抗剪腹板4和主梁帽5構(gòu)成風電機組葉片主梁，風電機組葉片主梁為風電葉片的主要承載結(jié)構(gòu)，風電機組葉片外形由蒙皮3構(gòu)成。在對主梁帽5進行設計時，根據(jù)抗彎能力要求計算其厚度；在對抗剪腹板4進行設計時，抗剪腹板4內(nèi)圈部分6設計成波紋型，以增加葉片結(jié)構(gòu)強度，抗剪腹板4外圈部分7 仍沿用直抗剪腹板，抗剪腹板4內(nèi)圈部分6是指位于內(nèi)圈葉片范圍內(nèi)的抗剪腹板4，抗剪腹板4外圈部分7是指位于外圈葉片范圍內(nèi)的抗剪腹板4，如圖4所示。以下是本發(fā)明的一個具體實施例101)確定風電機組葉片設計參數(shù)。在本示例性設計中針對某I. 5MW風電機組葉片進行設計，其參數(shù)見表I。表I風電葉片設計參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種考慮氣動與結(jié)構(gòu)平衡的風電葉片設計方法，其特征在于，它包括以下步驟I)根據(jù)風電機組葉片及機組參數(shù)，將所設計葉片分為內(nèi)圈與外圈兩部分，具體說明如下設定一結(jié)構(gòu)系數(shù)K，葉片結(jié)構(gòu)系數(shù)κ定義為K=~-L其中，r為風電機組葉片的參考半徑山為輪轂半徑；L為風電機組葉片總長度，選取k 值為O. 5-0. 55，可以得出對應的風電機組葉片的參考半徑r的數(shù)值，以風電機組風輪的中心點為圓心，以該參考半徑r的數(shù)值為半徑，畫出一個圓，位于此圓內(nèi)的風電機組葉片為內(nèi)圈葉片，位于此圓外的風電機組葉片為外圈葉片；2)進行內(nèi)圈葉片氣動翼型的選擇在不包括葉根區(qū)域的內(nèi)圈葉片采用相對厚度為 30% 50%的翼型，用以增加葉片截面厚度；3)進行外圈葉片氣動翼型的選擇對外圈葉片進行氣動翼型選擇時，采用升力系數(shù)達到I. 5以上且相對厚度小于25%的翼型，充分發(fā)揮翼型的氣動性能；4)進行葉片氣動外形計算及優(yōu)化內(nèi)圈葉片氣動翼型和外圈葉片氣動翼型選擇完畢后，進行氣動外形的計算及優(yōu)化；5)進行風電機組葉片主梁結(jié)構(gòu)設計抗剪腹板⑷和主梁帽(5)構(gòu)成風電機組葉片主梁，風電機組葉片外形由蒙皮(3)構(gòu)成；在對主梁帽(5)進行設計時，根據(jù)抗彎能力要求計算其厚度；在對抗剪腹板(4)進行設計時，抗剪腹板(4)內(nèi)圈部分(6)設計成波紋型，以增加葉片結(jié)構(gòu)強度，抗剪腹板(4)外圈部分(7)仍沿用直抗剪腹板，抗剪腹板(4)內(nèi)圈部分(6)是指位于內(nèi)圈葉片范圍內(nèi)的抗剪腹板(4)，抗剪腹板(4)外圈部分(7)是指位于外圈葉片范圍內(nèi)的抗剪腹板(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種考慮氣動與結(jié)構(gòu)平衡的風電葉片設計方法，其特征在于，所述相對厚度為30% 50%的翼型為鈍后緣翼型。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種考慮氣動與結(jié)構(gòu)平衡的風電葉片設計方法，其特征在于，采用葛勞渥方法或維爾森方法進行氣動外形的計算及優(yōu)化。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于風電葉片設計技術(shù)領(lǐng)域的一種考慮氣動與結(jié)構(gòu)平衡的風電葉片設計方法。它包括以下步驟1)根據(jù)風電機組葉片及機組參數(shù)，將所設計葉片分為內(nèi)圈與外圈兩部分；2)進行內(nèi)圈葉片氣動翼型的選擇；3)進行外圈葉片氣動翼型的選擇；4)進行葉片氣動外形計算及優(yōu)化；5)進行風電機組葉片主梁結(jié)構(gòu)設計；本發(fā)明的有益效果為1)本發(fā)明通過將葉片分為內(nèi)圈和外圈兩部分，在內(nèi)圈選擇相對厚度較大的翼型，使在氣動設計過程中就考慮結(jié)構(gòu)強度的要求，從而解決了氣動設計和結(jié)構(gòu)設計的矛盾。2)本發(fā)明在葉片主梁的結(jié)構(gòu)設計中，將葉片內(nèi)圈部分的主梁抗剪腹板設計成波紋型，從而有效提高了葉片的結(jié)構(gòu)強度。
文檔編號F03D11/00GK102588220SQ20121005217
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月1日
發(fā)明者芮曉明, 馬志勇 申請人:華北電力大學