基于气弹耦合特征的风力机叶片优化设计.pdf

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1、设计与制造2013年第6期(第26卷，总第128期)·机械研究与应用·基于气弹耦合特征的风力机叶片优化设计王旭东，王立存，夏洪均(重庆工商大学机械工程学院，重庆400067)摘要：为提高风力机叶片气动结构性能，基于风力机风轮空气动力学及叶片结构动力学原理，选取叶片所处位置及扭转变形为自由度，在研究叶片摆振、摆振方向各阶振动模态的基础上，提出风力机叶片气动弹性耦合振动变形计算模型。基于风力机整机部件构成及输出功率特征，提出风力机叶片优化设计模型，对某5MW风力机叶片的进行形状优化设计，通过对比分析优化叶片和原始叶片的输

2、出功率及气弹载荷特性，验证优化叶片气动及结构性能的优越性。关键词：风力机叶片；气弹特征；优化设计中图分类号：TK83文献标志码：A文章编号：1007—4414(2013)06—0140—03OptimizationDesignofWiIIdTurbineBladesBasedonAeroelasticCouplingCharacteristicsWANGXu-dong，WANGLi-eun，XIAHong-jun(CollegeofMechanicalEngineering，ChongqingTechnologyan

3、dBusinessUnwenity，Chongqing400067，China)Abstract：Inordertoimproveaerodynamicandstructuralperformanceofwindturbinebaldes，theflapwiseandedgewisevi—brationmodeofbladesisobtainedbasedonaerodynamicanddynamicstructuralmodelofwindturbinerotor．Thecouplingaeroelasticmod

4、elincludingdisplacementandvibrationispresentedthroughchoosingthebasicdegreesoffreedomcorrespond—ingtoelasticstructuralmode1．Theoptimizationmodelofwindturbinebladesispresentedbasedontheoutputpowerandcon—ponentofwindturbinerotor．Withthemodelpresentedinthispaper，o

5、ne5MWwindturbinerotorisappliedandoptimized．Theoutputpowers，axialandtangentialforcesoforiginalandoptimizedbladesaresimulatedandcomparedtovalidatethereli—abilityofthedesignmethod．Keywords：windturbineblades；aeroelasticcharacteristics；optimizationdesign1引言本的增加为代价，针

6、对这一问题，对风力机叶片进行风轮作为风力机的主要组成部分，其成本占到整形状优化研究，提高风轮输出能量同时降低其载荷特个风力机组的20％左右，同时风轮也是风力机捕获性及控制其成本就显得尤为必要。风能的关键部件，其性能直接关系到风力机运行的可笔者通过研究风力机叶片气弹空气动力学模型靠性。随着风力机功率的不断增加，叶片越来越长，及其成本估算模型，建立风力机叶片优化设计模型，其柔性特征越明显，因此，在叶片的设计阶段考虑叶在保证叶片输出功率的条件下，通过优化叶片外形参片气弹稳定特性、降低叶片成本就显得尤为重数，降低叶片的载荷及

7、成本，对大功率叶片的自主开要一。发设计具有一定的理论指导意义。目前叶片的气动结构外形设计主要采用动量叶2风力机风轮气动弹性耦合动力学模型素理论，然后根据风力机叶片结构强度、刚度和稳定根据完整的非保守系统Hamilton原理，有：性的要求以及制造工艺和成本的要求考虑，对优化设Jf(U-3T-)d=。()计后的风力机叶片外形再进行适当的调整J。突式中：U为系统应变能；T为系统动能；W为广义外尼斯学者KBadreddinne等以风力机输出功率为目力所做的虚功之和。标函数，基于变分原理研究了风力机叶片的升力变化将上式进行变分

8、运算，根据虚功原理，建立叶片过程，对叶片进行了优化设计。英国学者AMaheri的动力学方程：等_6针对叶片的壳体结构，研究了叶片沿弦向和展向的函数分布，通过结构载荷的分析，实现了叶片的Mx++Kx=Fg(2)优化。上述研究进行的风力机的优化设计都是针对式中：为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；单一目标量进行的，在提高叶片功率的同时往往以成F