一種添加預(yù)應(yīng)力風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】一種添加預(yù)應(yīng)力風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)方法，其步驟為：（1）選取風(fēng)力機(jī)葉片合適的基本參數(shù)，根據(jù)修正動(dòng)量葉素理論計(jì)算葉片不同截面的初始?xì)鈩?dòng)參數(shù)，即弦長(zhǎng)、扭角；（2）根據(jù)步驟（1）的參數(shù)，選取葉片主梁結(jié)構(gòu)為盒型主梁，結(jié)合梁、殼理論計(jì)算葉片不同截面結(jié)構(gòu)參數(shù)；（3）根據(jù)步驟（1）和步驟（2）的計(jì)算對(duì)葉片進(jìn)行受力分析并計(jì)算得到葉片是彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形；（4）將步驟（3）中得到的葉片變形量轉(zhuǎn)換成葉片受力疊加到步驟（1）和步驟（2）中，并結(jié)合葉片氣動(dòng)約束和結(jié)構(gòu)約束，即功率和剛度要求，重新計(jì)算氣動(dòng)外形和結(jié)構(gòu)鋪層厚度。
【專利說明】
一種添加預(yù)應(yīng)力風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種大型風(fēng)力機(jī)葉片，特別是涉及一種增加預(yù)應(yīng)力風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì) 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 根據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)(GWEC)統(tǒng)計(jì)表明，2014年全球新增風(fēng)電裝機(jī)容量51.477 GW， 年增長(zhǎng)44%，創(chuàng)造了歷史新高。根據(jù)中國可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì)(CWEA)的統(tǒng)計(jì)數(shù) 據(jù)，截止到2015年，全國（除臺(tái)灣地區(qū)）新增安裝風(fēng)電機(jī)組13121臺(tái)，新增裝機(jī)容量23196 Mff， 同比增長(zhǎng)44.2%;累計(jì)安裝風(fēng)電機(jī)組同比增長(zhǎng)25.4%。隨著風(fēng)能利用技術(shù)的不斷提高，風(fēng)力機(jī) 一直向著大型化發(fā)展，國際上歐美一些國家憑借多年積累經(jīng)驗(yàn)在風(fēng)力機(jī)大型化方面仍有一 定優(yōu)勢(shì)，但中國在加大風(fēng)力機(jī)研究力度和投入后風(fēng)電機(jī)組大型化研制也已邁上了一個(gè)新臺(tái) 階。
[0003] 目前，主流風(fēng)力機(jī)容量都已是兆瓦級(jí)。在實(shí)際復(fù)雜和多變的環(huán)境下運(yùn)行，大型風(fēng)力 機(jī)會(huì)受到多種力(氣動(dòng)力、彈性力以及慣性力）的耦合作用，此外，風(fēng)力機(jī)葉片有時(shí)還需要在 失速狀態(tài)下運(yùn)行，這一系列的作用會(huì)導(dǎo)致葉片本身產(chǎn)生形變并且可能因?yàn)樽冃魏蜌鈩?dòng)力之 間的耦合作用出現(xiàn)氣彈耦合振動(dòng)和失速顫振，最終導(dǎo)致葉片斷裂損毀。
[0004] 隨著風(fēng)力機(jī)大型化，風(fēng)力機(jī)葉片尺寸也逐步增大，葉片的長(zhǎng)度增大勢(shì)必導(dǎo)致其柔 性的增大。大型風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)時(shí)除了要保證葉片的氣動(dòng)性能，對(duì)葉片結(jié)構(gòu)的要求更加嚴(yán) 格。一般的葉片設(shè)計(jì)過程是把葉片的氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)直接剝離開來分成兩個(gè)獨(dú)立的部分分別進(jìn) 行設(shè)計(jì)，實(shí)際上，葉片的運(yùn)行過程是氣動(dòng)力和葉片結(jié)構(gòu)之間的耦合結(jié)果。葉片在運(yùn)行狀態(tài)會(huì) 受到來流總用而產(chǎn)生彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形。這些彎曲和扭轉(zhuǎn)變形的存在會(huì)導(dǎo)致葉素受力改 變使葉片運(yùn)行狀態(tài)脫離原有設(shè)計(jì)狀態(tài)，不利于準(zhǔn)確判斷風(fēng)力機(jī)葉片對(duì)風(fēng)能的利用。在葉片 設(shè)計(jì)時(shí)考慮增加預(yù)應(yīng)力可以增加氣動(dòng)結(jié)構(gòu)耦合效應(yīng)，提高葉片設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性。
[0005] 大型風(fēng)力機(jī)葉片是風(fēng)力機(jī)重要組成部分，其成本比重也很高。此外，風(fēng)輪是直接捕 獲風(fēng)能的裝置，其氣動(dòng)性能和結(jié)構(gòu)直接影響著風(fēng)力機(jī)整體的性能。特別是對(duì)于大型風(fēng)力機(jī) 葉片柔性不斷增大，風(fēng)力機(jī)葉片質(zhì)量一直是風(fēng)力機(jī)大型化的一大限制，增加預(yù)應(yīng)力葉片設(shè) 計(jì)可以在保持葉片剛度和強(qiáng)度的同時(shí)有效減輕葉片質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種添加預(yù)應(yīng)力風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)方法。
[0007] 本發(fā)明是一種添加預(yù)應(yīng)力風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)方法，其步驟為： (1) 選取風(fēng)力機(jī)葉片合適的基本參數(shù)，根據(jù)修正動(dòng)量葉素理論計(jì)算葉片不同截面的初 始?xì)鈩?dòng)參數(shù)，即弦長(zhǎng)、扭角； (2) 根據(jù)步驟(1)的參數(shù)，選取葉片主梁結(jié)構(gòu)為盒型主梁，結(jié)合梁、殼理論計(jì)算葉片不同 截面結(jié)構(gòu)參數(shù)； (3) 根據(jù)步驟(1)和步驟(2)的計(jì)算對(duì)葉片進(jìn)行受力分析并計(jì)算得到葉片是彎曲變形和 扭轉(zhuǎn)變形； (4)將步驟(3)中得到的葉片變形量轉(zhuǎn)換成葉片受力疊加到步驟(1)和步驟(2)中，并結(jié) 合葉片氣動(dòng)約束和結(jié)構(gòu)約束，即功率和剛度要求，重新計(jì)算氣動(dòng)外形和結(jié)構(gòu)鋪層厚度。
[0008] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下明顯的實(shí)質(zhì)特定和顯著優(yōu)點(diǎn)： 本發(fā)明采用增加預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)葉片，考慮葉片靜氣彈條件下的彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形，大 大減小了這些變形對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片對(duì)風(fēng)能利用的干擾，使葉片具有較高的風(fēng)能吸收效率。
【附圖說明】
[0009] 圖1給出了整個(gè)葉片設(shè)計(jì)流程，圖2給出了未考慮耦合效應(yīng)的葉片氣動(dòng)參數(shù)弦長(zhǎng)的 初始設(shè)計(jì)和考慮預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值，圖3給出了未考慮耦合效應(yīng)的葉片氣動(dòng)參數(shù)弦長(zhǎng)的初始設(shè) 計(jì)和考慮預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值，圖4給出了未考慮耦合效應(yīng)的葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)主梁鋪層厚度的初始 設(shè)計(jì)和考慮預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:對(duì)于風(fēng)力機(jī)葉片的靜氣彈分析，是屬于葉片氣動(dòng)結(jié)構(gòu) 耦合分析的一部分。通過分析，葉片在氣動(dòng)力的作用下產(chǎn)生變形導(dǎo)致工作狀態(tài)偏離最佳效 果。在葉片設(shè)計(jì)時(shí)，可以添加預(yù)應(yīng)力方法獲得好的葉片參數(shù)來避免這一影響。具體設(shè)計(jì)過程 如下： 第一步，選定合適的葉片氣動(dòng)參數(shù)，根據(jù)風(fēng)力機(jī)葉片長(zhǎng)度沿其展向等分并得到η個(gè)截 面，假定每段的長(zhǎng)度相同。
[0011]第二步，氣動(dòng)參數(shù)計(jì)算，根據(jù)修正動(dòng)量葉素理論(BEM)迭代求解得到葉片各個(gè)截面 的氣動(dòng)外形參數(shù)(弦長(zhǎng)、扭角）。同時(shí)，氣動(dòng)載荷可由BEM計(jì)算得到。
[0012] 第三步，結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算，選定合適的葉片剖面結(jié)構(gòu)形式。基于梁理論把葉片簡(jiǎn)化為 梁計(jì)算不同剖面位置的受力，然后根據(jù)殼理論計(jì)算剖面的幾何特性和鋪層厚度。在確定葉 片的鋪層厚度時(shí)，以葉片的強(qiáng)度和剛度條件作為判斷依據(jù)。
[0013] 第四步，靜氣彈計(jì)算，通過將風(fēng)力機(jī)葉片簡(jiǎn)化為一彈性梁結(jié)構(gòu)，在給定剖面處根據(jù) 受力可計(jì)算得到指定點(diǎn)處的彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形。
[0014] 第五步，根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算，構(gòu)建風(fēng)力機(jī)葉片預(yù)應(yīng)力靜氣彈優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。以步驟 二和步驟三中計(jì)算得到的氣動(dòng)參數(shù)和鋪層厚度作為初始輸入值，根據(jù)步驟四計(jì)算葉片受力 和彎曲、扭轉(zhuǎn)變形。以葉片重量和葉尖變形作為約束進(jìn)行迭代優(yōu)化計(jì)算，最后反饋得到優(yōu)化 后風(fēng)力機(jī)葉片各個(gè)截面的弦長(zhǎng)、扭角和葉片鋪層厚度。
[0015] 根據(jù)上述方案，考慮靜氣彈影響的風(fēng)力機(jī)葉片一體化設(shè)計(jì)過程如下： (1) 給定風(fēng)力機(jī)葉片基本設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)修正BEM理論計(jì)算葉片不同展向位置的弦長(zhǎng)和 扭角。葉片氣動(dòng)參數(shù)的計(jì)算直接根據(jù)常規(guī)方法計(jì)算得到； (2) 根據(jù)步驟1)中的葉片給定材料、結(jié)構(gòu)等特性，按步驟1)中計(jì)算得到的氣動(dòng)參數(shù)計(jì)算 葉片展向不同位置處的鋪層厚度； (3) 通過簡(jiǎn)化葉片為一彈性梁結(jié)構(gòu)，把葉片的彎曲變形轉(zhuǎn)變成懸臂梁擾度。簡(jiǎn)化葉片截 面為多閉室箱梁計(jì)算得到葉片的扭轉(zhuǎn)變形。
[0016] 對(duì)于彈性梁，根據(jù)所受氣動(dòng)力，給定位置處的擾度為：
式中％表示柔度相應(yīng)系數(shù)指在結(jié)構(gòu)上第^點(diǎn)處施加的單位力所引起的結(jié)構(gòu)上第:i點(diǎn)的 位移;備表示第9點(diǎn)處所受外力。對(duì)于盒型主梁結(jié)構(gòu)葉片,it剖而簡(jiǎn)化為多閉室箱梁，盒型梁 剖面的剪力流為截《 f，相對(duì)扭角的計(jì)算根據(jù)公^
式中4為第I室周邊中線所包圍面彩
繞第〖室積分一周，￡?為材料剪切彈性模量； (4)在進(jìn)行葉片設(shè)計(jì)時(shí)，步驟3)中的靜態(tài)的彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形直接轉(zhuǎn)換成葉片受力 反饋回葉片氣動(dòng)結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算，通過迭代的方式就算得到優(yōu)化的葉片氣動(dòng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。葉片 所受氣動(dòng)力與彎曲和扭轉(zhuǎn)變形之間的關(guān)系根據(jù)公式：
式中S為氣動(dòng)升力，P為氣動(dòng)阻力，％為攻角，e為氣動(dòng)中心到剛心的距離，M政為繞氣 動(dòng)中心力矩。上述等式左邊表示剖面所受氣動(dòng)里扭矩而等式右邊為剖面內(nèi)部剪力流產(chǎn)生的 扭矩。
[0017]以下結(jié)合具體實(shí)例來詳細(xì)說明本發(fā)明葉片的設(shè)計(jì)方法。
[0018] 基于以上方法，以某一 1.5 MW風(fēng)力機(jī)葉片為例，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，下表給出了風(fēng)力機(jī) 葉片設(shè)i+的某礎(chǔ)參教，
根據(jù)上述步驟計(jì)算得到結(jié)果如下，圖2和3給出了葉片氣動(dòng)外形參數(shù)添加預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)前 后對(duì)比，圖4給出了葉片(主梁)鋪層厚度添加預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)前后對(duì)比。
[0019] 本發(fā)明未詳細(xì)說明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識(shí)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種添加預(yù)應(yīng)力風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，其步驟為： (1) 選取風(fēng)力機(jī)葉片合適的基本參數(shù)，根據(jù)修正動(dòng)量葉素理論計(jì)算葉片不同截面的初 始?xì)鈩?dòng)參數(shù)，即弦長(zhǎng)、扭角； (2) 根據(jù)步驟（1)的參數(shù)，選取葉片主梁結(jié)構(gòu)為盒型主梁，結(jié)合梁、殼理論計(jì)算葉片不同 截面結(jié)構(gòu)參數(shù)； (3) 根據(jù)步驟（1)和步驟(2)的計(jì)算對(duì)葉片進(jìn)行受力分析并計(jì)算得到葉片是彎曲變形和 扭轉(zhuǎn)變形； (4) 將步驟(3)中得到的葉片變形量轉(zhuǎn)換成葉片受力疊加到步驟（1)和步驟(2)中，并結(jié) 合葉片氣動(dòng)約束和結(jié)構(gòu)約束，即功率和剛度要求，重新計(jì)算氣動(dòng)外形和結(jié)構(gòu)鋪層厚度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的添加預(yù)應(yīng)力風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟(1)中計(jì) 算得到的葉根處的弦長(zhǎng)和扭角的數(shù)值過大，為更貼合實(shí)際需進(jìn)行修剪處理。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的添加預(yù)應(yīng)力風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟(4)中-- 的計(jì)算結(jié)果通常需要通過迭代的方式得到； 根據(jù)上述方法具體計(jì)算關(guān)鍵內(nèi)容包括： (1) 葉片彎曲變形時(shí)根據(jù)W下公式計(jì)算： 林，?C綜， 式中C表示葉片對(duì)應(yīng)截面由單位力所引起的位移，Q表示葉片對(duì)應(yīng)位置的受力； (2) 葉片扭轉(zhuǎn)變形用扭轉(zhuǎn)角度表示根據(jù)W下公式計(jì)算：式中為為第謹(jǐn)周邊中線所包圍面積，{為·^繞第僮積分一周，報(bào)為第撞內(nèi)剪力流，巧 t 為材料剪切彈性模量； (3) 在計(jì)算扭轉(zhuǎn)角度之前先根據(jù)葉片各個(gè)截面簡(jiǎn)化為多閉室計(jì)算其剖面剪流具體公式 為：式中島、鳥，分別為X、巧f向剪力Λ、為分別為對(duì)J軸、巧由的靜矩，分別為對(duì)^軸、y 軸的慣性矩； (4) 根據(jù)計(jì)算得到的變形通過氣動(dòng)彈性平衡方程可W轉(zhuǎn)換為等量的氣動(dòng)力，具體計(jì)算 公式如下：式中正為氣動(dòng)升力，近為氣動(dòng)阻力，巧為攻角，6為氣動(dòng)中屯、到剛屯、的距離，為繞氣動(dòng) 中屯、力矩，等式左邊為剖面所受氣動(dòng)力扭矩，等式右邊為剖面內(nèi)部剪力流產(chǎn)生的扭矩； 巧)對(duì)于葉片弦長(zhǎng)、扭角的計(jì)算根據(jù)常規(guī)方法直接計(jì)算，葉片鋪層厚度計(jì)算需要設(shè)及到 葉片剖面幾何特性、載荷內(nèi)力、應(yīng)力應(yīng)變等的計(jì)算，具體計(jì)算可根據(jù)梁殼理論簡(jiǎn)化計(jì)算。
【文檔編號(hào)】F03D80/00GK105844022SQ201610174656
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月25日
【發(fā)明人】鄭玉巧, 曹永勇, 趙榮珍, 王群旺
【申請(qǐng)人】蘭州理工大學(xué)