專利名稱：一種水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的極限載荷預(yù)測計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā) 明涉及風(fēng)力機(jī)葉片的載荷預(yù)測計(jì)算，特別是水平軸風(fēng)力機(jī)極限載荷的預(yù)測計(jì)
算方法。
背景技術(shù)：
風(fēng)力機(jī)的載荷源主要有以下幾種空氣動(dòng)力載荷、重力載荷、慣性載荷(包括離心和回轉(zhuǎn)效應(yīng))、由于控制系統(tǒng)作用引起的運(yùn)行載荷(例如，剎車、偏航、變槳距控制和發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)等)。在葉片設(shè)計(jì)中，主要是考慮由這些載荷源引起的極限載荷和疲勞載荷。到目前為止，大部分風(fēng)力機(jī)主要是因?yàn)楦鞣N極限狀況的出現(xiàn)而失效的，嚴(yán)重的甚至無法修復(fù)。因此，極限載荷是葉片鋪層設(shè)計(jì)時(shí)的重點(diǎn)。另外，國內(nèi)的低風(fēng)況區(qū)域分布廣泛，隨著我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，設(shè)計(jì)出能適應(yīng)低風(fēng)況的葉片將是大勢所趨。但此類葉片的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的葉片設(shè)計(jì)相比具有如下特點(diǎn)，葉片本身將變得更長，葉片也更柔，而與整機(jī)的接口參數(shù)如葉根的最大彎矩等又不允許增加，因此如何控制極限載荷以及開展極限載荷條件下的葉片設(shè)計(jì)已經(jīng)成為急需解決的技術(shù)難題。而傳統(tǒng)的葉片設(shè)計(jì)理念和方法，大部分均以葉片的最大氣動(dòng)效率，如最大能量輸出、最小能量成本，最小質(zhì)量等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，進(jìn)行葉片氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化。但該設(shè)計(jì)思路無法解決長葉片帶來的高載荷問題。所以建立葉片極限載荷的預(yù)測計(jì)算模型對解決以上問題具有重要意義。極限載荷預(yù)測計(jì)算一直是風(fēng)力機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中的一大難點(diǎn)，也是近幾年來國外一直研究的熱點(diǎn)。目前來說，主要有兩類方法來計(jì)算預(yù)測葉片的極限載荷，一類是工程上經(jīng)常使用的方法，也是相對來說最準(zhǔn)確的方法，它主要是依據(jù)GL或IEC標(biāo)準(zhǔn)定義的工況進(jìn)行計(jì)算分析，對每一個(gè)工況都進(jìn)行氣彈模擬，然后根據(jù)計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到。而由于風(fēng)力機(jī)的工作風(fēng)速范圍廣，運(yùn)行工況復(fù)雜多變，采用這種方法預(yù)測計(jì)算出葉片所受到的極限載荷將非常復(fù)雜耗時(shí)且不易用于葉片鋪層的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。另一類方法主要是基于有限的載荷數(shù)據(jù)(測量或計(jì)算得到的)采用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法和外插方法得到葉片的極限載荷，但它們存在以下問題，即如何為已知數(shù)據(jù)找到一個(gè)合適的概率分布函數(shù)；如何由短期的載荷分布得到長期的載荷分布；如何定義預(yù)測結(jié)果的不確定度。所以有必要建立一種新的極限載荷預(yù)測模型，它將具有快速而又準(zhǔn)確的特點(diǎn)，為葉片的鋪層設(shè)計(jì)甚至是氣動(dòng)設(shè)計(jì)提供幫助。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的極限載荷預(yù)測計(jì)算方法，該方法具有快速而又準(zhǔn)確的特點(diǎn)，且計(jì)算結(jié)果可以方便地應(yīng)用于葉片鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題中。本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為一種水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的極限載荷預(yù)測計(jì)算方法，采用智能優(yōu)化算法進(jìn)行極限載荷求解，其特征在于，所述極限載荷預(yù)測計(jì)算方法包括如下步驟
I)選取風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速Q(mào)、槳矩角P 2、來流風(fēng)速V1、偏航角Y和方位角V為自由
變量；2)建立葉片各截面各方向的載荷同上述自由變量的關(guān)系(a)首先建立葉片的氣動(dòng)力Fa和上述自由變量的關(guān)系，將葉片分成多個(gè)互不相關(guān)的葉素，設(shè)每個(gè)葉素中各截面翼型、來流速度V1、攻角a相同，葉素處的合成氣流速度Vtl作用在長度為dr的葉素上的氣動(dòng)力0^可分解為法向力dFn和切向力dFt，dFn和dFt可分別表示為，
權(quán)利要求
1.一種水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的極限載荷預(yù)測計(jì)算方法，采用智能優(yōu)化算法進(jìn)行極限載荷求解，其特征在于，所述極限載荷預(yù)測計(jì)算方法包括如下步驟 1)選取風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速Q(mào)、槳矩角P2、來流風(fēng)速V1、偏航角Y和方位角V為自由變量； 2)建立葉片各截面各方向的載荷同上述多個(gè)自由變量的關(guān)系 Ca)建立葉片的氣動(dòng)力Fa和上述多個(gè)自由變量的關(guān)系，將葉片分成多個(gè)互不相關(guān)的葉素，設(shè)每個(gè)葉素中各截面翼型、來流速度V1、攻角a相同，葉素處的合成氣流速度Vtl作用在長度為dr的葉素上的氣動(dòng)力0^可分解為法向力dFn和切向力dFt，dFn和dFt可分別表示為，
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的極限載荷預(yù)測計(jì)算方法，其特征在于，在上述步驟4)中最小槳距角P 2 min按下式來取值I A—mm = max(爲(wèi)—mn—ra, P2imiiv) (V1 < Vout)I Amin = Amiav(^J > Ku/ ) 其中，P2—min—v為不同風(fēng)速條件下對應(yīng)的最小槳距角，P2jlilws為不同轉(zhuǎn)速條件下對應(yīng)的最小槳距角，Vout為風(fēng)力機(jī)的切出風(fēng)速；e2minv、e2fflin_rs按照如下方式進(jìn)行取值(I)當(dāng)風(fēng)速ViJW時(shí)，不同風(fēng)速條件下對應(yīng)的最小槳距角e2—min—j e2—min—v=h—1(WOT，其中為葉片初始安裝角，vin為風(fēng)力機(jī)的切入風(fēng)速，V'為風(fēng)力機(jī)開始變槳的風(fēng)速； (2)當(dāng)風(fēng)速V'KV1KVout時(shí)，^2 min v與風(fēng)速V1的對應(yīng)關(guān)系采用以下二次多項(xiàng)式表示 ^kv=B1(V1)WB2VAB3-A ，其中 A 運(yùn)2為常數(shù)，且5°〈八運(yùn)2〈15°，B:、B2、B3 為二次多項(xiàng)式的系數(shù)，B2, B3通過對風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行時(shí)不同風(fēng)速對應(yīng)的槳矩角進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合的方式得到；如果計(jì)算得到的3 2—min—V ^ ^ 2—lower 取 3 2—min—v ^ 2—lower ; (3)當(dāng)風(fēng)速Vtjut( V^Vupper時(shí)，^ 2 min v與風(fēng)速V1的對應(yīng)關(guān)系采用線性關(guān)系式表示如下 ^ 2—min—v=Di (V1-Vout) +D2- A P2,其中Dp D2為線性關(guān)系式的系數(shù)，Dp D2米用如下方式確定該直線通過點(diǎn)(vUPPOT，90- a @ 2)和點(diǎn)(vout，^ 2 out),其中e 2_out滿足e 2OUt=B1 (Vout)2+B2V0Ut+B3-A ^2; (4)當(dāng)QQ'時(shí)，Q '為風(fēng)力機(jī)額定轉(zhuǎn)速附近一設(shè)定轉(zhuǎn)速，^2minre與轉(zhuǎn)速Q(mào)的對應(yīng)關(guān)系采用線性關(guān)系式表示為 3 2_min_rs=Ci Q +C2，其中為線性關(guān)系式的系數(shù)，通過對風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在額定風(fēng)速時(shí)的一年一遇的極端操作陣風(fēng)工況進(jìn)行氣彈模擬，得到風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在不同轉(zhuǎn)速時(shí)對應(yīng)的槳矩角，對轉(zhuǎn)速和槳矩角進(jìn)行線性擬合得到CpC2 ; (5)當(dāng)轉(zhuǎn)速W 時(shí)，3 2Jlinjs=旦 2—I_r。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的極限載荷預(yù)測計(jì)算方法，其特征在于，采用如下方法計(jì)算葉素誘導(dǎo)因子a、b a)設(shè)定誘導(dǎo)因子a、b初值a=a0,b=b0 ； b)計(jì)算葉素的切向速度Vytl和法向速度Vxtl=Vx0=V1 (1-a)，Vy0=Qr(l+b)； c)計(jì)算葉素截面處的入流角0和攻角a ,(l-a)K #=arctanii7^, aU「@2， 其中，P1是葉素截面的扭角，02是葉素的槳矩角； d)計(jì)算葉片損失F，F(xiàn)=FtipFhub,葉尖損失Ftip、輪轂損失Fhub分別表示為 B(R-r)(B(r-Rllllh)) Ftip^cos-U,Fhub 二icos-、， Tl% 其中，B是葉片數(shù)，Rhub為輪轂半徑，R是風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)半徑； e)計(jì)算風(fēng)輪的推力系數(shù)CT，Ct二沖二)/:，其中= !為風(fēng)輪實(shí)度； Sm-命2nr f)求解新的切向誘導(dǎo)因子a: 如果Ct ^ 0. 96F，則該葉素載荷過高，新的軸向誘導(dǎo)因子a由下式求解
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的極限載荷預(yù)測計(jì)算方法，其特征在于，采用如下方法計(jì)算葉素的初始誘導(dǎo)因子％，Iv包括如下計(jì)算步驟a)計(jì)算除葉根處的圓截面葉素外，其他所有葉素截面的入流角0和合成氣流速度Vtl,
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的極限載荷預(yù)測計(jì)算方法，其特征在于，當(dāng)局部尖速比Ar >4時(shí)，根據(jù)權(quán)利要求4所述的步驟a)、c)計(jì)算葉素截面的入流角小和合成氣流速度％。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的極限載荷預(yù)測計(jì)算方法，其特征在于，當(dāng)局部尖速比X/4時(shí)，根據(jù)權(quán)利要求3中計(jì)算得到的葉素誘導(dǎo)因子a、b，計(jì)算葉素截面的入流角0和合成氣流速度V。，
7.根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的極限載荷預(yù)測計(jì)算方法，其特征在于，采用如下方法計(jì)算葉片各截面各方向上的載荷，包括如下步驟 (a)將離心載荷F。和重力載荷Fg沿風(fēng)輪坐標(biāo)系進(jìn)行分解，同氣動(dòng)載荷Fa—起作用在葉片上，將葉片分成N個(gè)葉素，N為大于2的整數(shù)，每個(gè)葉素對應(yīng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，假設(shè)每一個(gè)葉素上的載荷是均勻分布的，各葉素上的均布載荷pk=Fe+Fg+Fa，k為整數(shù)，I彡k彡N，設(shè)X方向?yàn)轱L(fēng)輪旋轉(zhuǎn)方向，y方向?yàn)榇怪庇陲L(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面方向，z方向?yàn)樾D(zhuǎn)中心指向葉尖為正；I號節(jié)點(diǎn)和N號節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的葉素長度dz1、dzN為零(1/=(^=0 ； (b)計(jì)算各葉素截面X方向上的力Txk和由此產(chǎn)生的力矩Myk對于節(jié)點(diǎn) I +0. 5p2dz2，My1=MyWo. 5Tx2dz2+p2(dz2)2/8 ；對于節(jié)點(diǎn) N Txn=0, M/=0 ； 對于節(jié)點(diǎn) N-I Txn_1=Txn+0. 5pN_1dzN_1, MyH=MyN+0. 5TxNdzN_1+pN_1 (dzN_1) 2/8 ； 對于節(jié)點(diǎn)N-2到2 Txk=Txk+1+0. 5pk+1dzk+1+0. 5pkdzk, Myk=Myk+1+0. 5Txk+1 (dzk+1+dzk) +0. 5pk+1dzk+1 (0. 5dzk+0. 25dzk+1)+pk(dzk)2/8 ； (C)按照和步驟(U類似的方法計(jì)算各葉素截面j方向上的力Tyk和由此產(chǎn)生的力矩Mxk。
8.根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的極限載荷預(yù)測計(jì)算方法，其特征在于，所述智能優(yōu)化算法為PSO算法。
9.根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的極限載荷預(yù)測計(jì)算方法，其特征在于，所述PSO算法為改進(jìn)的PSO算法，在所述改進(jìn)的PSO算法中 Ca)慣性權(quán)值w按對數(shù)規(guī)律單調(diào)遞減，其表達(dá)式為
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的極限載荷預(yù)測計(jì)算方法，其特征在于，n為粒子總數(shù)目的約10%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的極限載荷預(yù)測計(jì)算方法，采用智能優(yōu)化算法進(jìn)行極限載荷求解，選取風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速、槳矩角、來流風(fēng)速、偏航角和方位角為自由變量，建立葉片各截面各方向的載荷同上述自由變量的關(guān)系，根據(jù)風(fēng)場類型和設(shè)計(jì)需要，對各自由變量進(jìn)行約束，以葉片截面上的載荷為目標(biāo)函數(shù)，使用智能優(yōu)化算法(比如PSO算法)來求解極限載荷。本發(fā)明的方法具有快速而又準(zhǔn)確的特點(diǎn)，且計(jì)算結(jié)果可以方便地應(yīng)用于葉片鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題中。
文檔編號G06F17/50GK102708266SQ20121019381
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月12日
發(fā)明者廖猜猜, 徐建中, 石可重, 趙曉路 申請人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所