大型水平軸風力機葉片氣動結構一體化優(yōu)化設計.pdf

1、風能作為綠色可再生能源，已受到世界各國的廣泛重視，隨著化石能源危機和環(huán)境問題日益突出，風能利用技術更是得到了快速發(fā)展。中國作為能源消費大國，風電得到國家層面的大力支持從而發(fā)展迅速。但相比于國外風電發(fā)達國家，我國風電科學技術仍面臨一系列挑戰(zhàn)。
　　 風力機葉片是風電機組的重要組成部分。葉片的設計可分為氣動設計和結構設計兩個部分。隨著風力機葉片大型化趨勢的發(fā)展，葉片結構變的越來越柔，同時組成葉片的復合材料本身具有高強度低模量的特點，

2、風力機葉片在極限載荷作用下會產(chǎn)生較大的擾度，此外風輪在運轉(zhuǎn)時會出現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，因此風力機葉片在設計時必須考慮氣動與結構相互影響的問題。本文主要從葉片的氣動設計和結構設計入手，同時考慮兩者之間的耦合關系，結合目前應用較為廣泛的基于動量葉素理論和梁理論設計方法對大型風力機葉片進行優(yōu)化設計研究。
　　 (1)采用修正的動量葉素理論設計法對1.5MW風力機葉片進行設計。初始計算所得弦長和扭角數(shù)據(jù)在葉根處數(shù)據(jù)偏大須進行修正。根據(jù)修正后

3、弦長和扭角計算葉片三個氣動性能參數(shù)CT、CP和CM。為了獲得良好的氣動性能，對葉片氣動參數(shù)進行優(yōu)化。以風力機年發(fā)電量最大為目標，應用遺傳算法對葉片弦長和扭角進行優(yōu)化，葉片氣動外形發(fā)生改變，風力機在不同風速下的風能利用系數(shù)也發(fā)生變化，具體為在風速概率高的區(qū)段風輪風能利用系數(shù)提高，在風速概率小的區(qū)段風輪的風能利用系數(shù)減小。
　　 (2)葉片結構設計計算主要基于梁理論，內(nèi)容主要包括四部分:葉片剖面幾何特性計算、葉片載荷和內(nèi)力計算、葉片

4、應力和變形計算以及葉片的鋪層計算。對于剖面結構為蒙皮加主梁形式的葉片在計算結構參數(shù)時還需給定主梁的參數(shù)即主梁的位置和寬度。若以葉片主梁位置和寬度為自變量，葉片的剛度為約束，葉片質(zhì)量最小為目標，應用遺傳算法對葉片進行優(yōu)化，結果顯示:葉片主梁位置發(fā)生偏移、寬度增大，在葉片剛度不變的情況下，葉片的鋪層厚度有所減小，對應的葉片質(zhì)量也有所下降，葉片主梁的位置和寬度對葉片結構設計有影響。
　　 (3)葉片氣動結構一體化設計，在傳統(tǒng)的葉片設計