[发明专利]一种抗气动弹性变形的风力机翼型设计方法

摘要

本发明公开了一种抗气动弹性变形的风力机翼型设计方法，结合翼型参数化表征方法与动量叶素理论，建立了翼型优化设计数学模型，考虑气弹变形对翼型的影响，设计出了一种抗气动弹性变形的风力机翼型WQ‑D180，并将新翼型与传统翼型进行了气弹变形及气动性能分析，表明该翼型具有良好的气动性能及抗气弹变形性能。由于该翼型具有抗气弹变形的能力，即叶片实际运行时风载荷对叶片翼型截面变形影响小，使得叶片实际性能与理论性能相差不大，从而提高了叶片实际运行性能。

主权项

1.一种抗气动弹性变形的风力机翼型设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：基于翼型参数化集成表达式，确定目标函数1和目标函数2，设计变量及约束条件；步骤1中是采用泛函集成理论对翼型进行参数化表征，以气弹变形最小及最大升阻比为目标函数，设计变量及约束条件；其中翼型参数化集成表达式为：k＝1,2,3,...n；式中，x为翼型横坐标，y为翼型纵坐标；r为翼型在平面ζ中的矢径，a_k、b_k为系数，θ为幅角，a为1/4翼型弦长；为翼型控制方程函数；其中以光滑条件下升阻比最大为目标函数1：f1(x)＝max(CL/CD)；其中CL为升力系数，CD为阻力系数；以叶片截面最小气弹变形为目标函数2：f2(x)＝min(Li‑Li‑1)；其中Li为第i次气弹变形翼型尾缘处的位移，Li‑1为第i‑1次翼型尾缘处的位移；选取翼型控制方程函数的第1到第8项系数作为优化设计的变量，确定设计变量为：X＝(a1,b1,a2,b2,a3,b3,a4,b4)；对翼型控制方程前8项系数进行约束，其约束条件如表1：表1设计变量范围对翼型最大相对厚度进行约束，选取叶尖附近翼型，最大相对厚度约为18％；步骤2：采用粒子群算法进行抗气动弹性翼型优化，初始化步骤1中的变量；步骤3：将初始化的变量导入翼型参数化集成表达式中，形成初始翼型集，并采用约束条件过滤掉不符合翼型特性的几何廓线；步骤4：判断初始翼型集中的元素是否为翼型；若是，则执行下述步骤5；若否，则回转执行上述步骤2；步骤5：通过步骤1中得到的目标函数1和目标函数2，通过目标函数1和目标函数2表达式计算翼型适应度值，该适应度值要求具有高的气动特性及抗气动弹性变形性能；计算目标函数2的抗气动弹性翼型适应度值，其具体实现包括以下子步骤：步骤5.1：利用目标函数2优化翼型；步骤5.2：利用叶片截面气动弹性耦合有限元模型计算并提取翼型变形前后升力大小；步骤5.3：将初始翼型导入到叶片截面气动弹性耦合有限元模型中并施加气动载荷；步骤5.4：采用有限元法计算并提取变形后的翼型数据；步骤5.5：将变形后翼型的升力大小与变形前翼型的升力大小进行比较；若比较结果大于预设阈值，则回转执行所述步骤5.1；若比较结果小于或等于预设阈值，则表明该设计翼型具有高的气动特性及抗气动弹性变形性能，求解结束输出到适应度值中；步骤6：根据适应度值更新初始翼型集中个体最优和全局最优解；步骤7：判断是否满足终止条件；若否，则进行粒子群算参数自适应调整，并回转执行上述步骤3；若是，则输出新翼型。