变桨距风力机叶片的气动优化设计

首先利用Wilson方法进行叶片的外形初步设计,然后以设计攻角作为变量,以额定风速下功率系数最大为优化目标,建立了1 MW变桨距风力机叶片气动外形优化模型,采用遗传算法进行了优化再设计。通过对3叶片1 MW风力机进行的气动性能评价结果表明,优化后的风力机具有更好的气动性能,说明采用该优化方法进行变桨距风力机设计具有明显的优越性。     

大型下风向柔性叶片参数化建模及两目标优化设计

为了应对超大型风力机的发展对叶片带来的挑战,利用叶片多目标设计方法重点研究大型下风向柔性叶片气动与结构参数的优化设计。构建叶片弦长、扭角和挥舞刚度参数模型,以下风向布局的NREL 5 MW风力机叶片为优化对象,基于快速非支配排序遗传算法开展单机年发电量最大和叶根挥舞弯矩最小的两目标下风向叶片优化设计,得到符合预期的Pareto最优解集。取解集中3套具有代表性的最优解进行分析,由于下风向离心力矩可抵消一部分挥舞弯矩,所以叶根挥舞弯矩均有大幅降低,其中A叶片以牺牲0.963%年发电量的代价,使其叶根挥舞弯矩和叶片挥舞刚度分别减小7.951%和27.071%,可实现大型下风向柔性风轮的轻量化优化设计。以选取的3套叶片为基础,分析弦长、扭角、挥舞刚度对优化目标的影响机制,发现叶片挥舞刚度参数对两优化目标的影响最大。     

基于遗传算法的风力机叶片优化设计

提出了多次迭代优化设定诱导因子初始值的方法,并以功率输出和年发电量最大为优化目标,在遗传算法的基础上对1.5MW风力机叶片进行了优化设计.为了改善风力机在低风速区域内的输出功率特性,对风轮转速进行了优化.结果表明:优化后,风力机叶片的弦长值得到大幅度的降低,达到额定风速后的功率输出情况也满足了定桨距风力机的功率控制要求,说明该优化方法可以加速搜索寻优过程并保证获得全局最优解;转速优化后,当风力机采用二级转速运行时,年最大输出功率比采用单一额定转速运行时可提高1.16%.     

10 MW风力机复合材料叶片结构设计研究

以DTU 10 MW风力机叶片为研究对象,基于NX参数化建模的二次开发,快速建立风力机叶片三维壳体模型,并对其进行复合材料铺层设计。进一步采用计算流体力学方法获取叶片表面气动载荷,对其进行静力学、谐响应及稳定性分析,预测其发生屈曲的可能性及位置。结果表明:叶片在极限风速下有足够安全性,其最大应力位于主腹板附近,最大应变位于主梁中部;叶片发生共振时,挥舞方向有较大幅度波动,摆振方向及叶片展向仅有小幅波动,初次共振对叶片影响最大;叶片在额定风速下未发生整体屈曲现象,仅在叶片背风面副梁帽处出现局部屈曲,增加该区域铺层材料厚度可改善此类现象。     

基于元胞遗传算法的风力机叶片优化设计

采用经过叶尖损失、轮毂损失及失速状态下动量理论修正的片条理论为基础,在满足设计功率的前提下,以最大升阻比系数为优化目标,以叶片的形状参数弦长、扭角为优化设计变量,通过元胞自动机遗传算法对风力机叶片进行优化。最后应用该优化模型对某2 MW变桨距风力机叶片进行优化设计,并对优化结果进行比较分析,验证了该算法的有效性,为风力机叶片的后续研究奠定了基础。     

增压器压气机叶片结构/振动一体化优化设计

以废气涡轮增压器压气机叶轮为研究对象,创建了压气机叶片的三维参数化模型,通过全三维流场仿真分析,得到压气机的气动性能及叶片表面的压力分布.在不改变叶片形状、保证压气机气动性能的情况下,对叶片的静强度及振动特性进行了一体化优化设计.以叶片4个关键截面的叶顶、叶根厚度为设计变量,以离心力及气动压力作用下叶片的最大Mises应力、叶片的一阶动频为约束,以叶片体积为目标函数,在iSIGHT优化平台上集成了I-DEAS、ANSYS软件,采用混合整型优化和自适应模拟退火算法的组合优化方法,在满足叶片静强度小于屈服强度和一阶动频大于3倍工作频率的条件下,叶片体积(质量)减小了14.7%.     

复合材料风力机叶片铺层参数优化

考虑重力、离心力、气动力作用下的叶片结构性能变化,以5 MW风力机叶片为优化目标,基于经典层合板理论建立风力机叶片优化数学模型,将各层合板界面最大Von＿Mises应力作为优化目标,最大叶尖位移作为优化约束,层合板纤维铺设角度作为优化变量,对比分析3种方案下的叶尖位移、最大应力、Tsai＿Wu失效因子,确定最佳铺层方案。优化后叶尖位移、最大Von＿Mises应力、Tsai＿Wu失效因子明显降低,验证优化方法的有效性。     

3 MW风力机叶片振动特性分析

为防止叶片发生共振、减少叶片挠度、提高风力机发电效率以及风能利用率,文章建立了3 MW风力机叶片模型,分析了风力机叶片的固有频率。当激励频率为1.26 Hz时,叶片发生共振。以年发电量和风能利用率为目标函数,采用多目标遗传算法对3 MW风力机叶片进行优化设计。优化后的叶片发电功率提高了12%左右,风能利用率提高了18%左右;叶片的固有频率明显提高,挠度减少,解决了风力机叶片共振的问题。     

遗传算法在风力机风轮叶片优化设计中的应用

提出了风力机风轮叶片的优化设计模型,该模型考虑了风场风速的概率分布,以风力机年能量输出最大为设计目标。为加速搜索寻优过程并保证获得全局最优解,采用ECGA算法进行搜索寻优。与传统的遗传算法相比,ECGA搜索寻优速度更快,获得的结果更准确,也可以使用更小的种群,函数求值次数也更少。利用开发的优化设计程序,设计了1.3MW失速型风力机的叶片。与已有的1.3MW失速型风力机相比,设计结果显示了明显的优越性,说明该优化设计模型的有效性和实用性。     

气动载荷对风力机叶片动态结构特性影响分析

建立复合材料风力机叶片铺层模型,针对叶片结构进行动态特性分析,主要通过模态分析研究了气动载荷对叶片固有频率的影响。借助ANSYS(有限元分析软件)复合材料模块,根据叶片几何和铺层参数实现叶片建模,并通过实验值验证了有限元模型的准确性。基于叶素-动量理论计算获得叶片极限气动载荷,以极限载荷的20%为载荷步,分析了叶片结构特性受载荷影响的变化趋势。结果表明:叶片所受载荷增加会导致叶片各阶固有频率下降,同时其摆振振型对应的固有频率受载荷影响较大;气动载荷会削弱叶片各微元段向平衡位置恢复的能力,导致叶片截面刚度下降,进而引起叶片固有频率降低。     

兆瓦级水平轴风力机叶片铺层设计参数影响分析

为研究主梁材料及铺层角度对风力机叶片结构特性影响,基于三维建模软件NX二次开发建立风力机叶片几何模型,结合铺层设计并通过CFD方法获取叶片表面压力分布,采用有限元方法对叶片进行结构模态、强度及屈曲分析.结果 表明:碳纤维主梁叶片质量较玻璃钢减轻约8.08％,主梁材料对模态振型影响较小,主梁铺层角度对挥舞方向运动影响更大...     

定桨距风力机气动优化设计优化方向分析

简述风力气动优化设计的模型和方法，分析定桨距风力机桨叶外形变化对气动性能的影响，指出气动优化设计应考虑的优化目标和主要参数，并根据该方法对２００ｋＷ定桨距风力机进行了气动优化设计，给出优化结果并加以分析比较。     

小型变桨距风力机的气动优化设计

基于叶素动量理论分析了小型风力机的气动性能分析模型,并提出了叶片的气动优化设计方法.结合叶片制造和应用中的实际要求,设计了10 kW小型变桨距风力机叶片的气动外形.计算结果表明,设计叶片具有良好的气动性能,验证了该设计方法有效实用.     

风力机叶片翼型优化设计

为设计出气动性能优异的风力机翼型,运用CST参数化方法表述翼型外形特征以控制翼型型线,利用自适应遗传算法耦合XFOIL软件的翼型优化方法,以翼型NACA 63-215为优化算例,在设计工况下寻优,得到一种升力系数、阻力系数、升阻比、力矩等气动特性均较NACA 63-215更优的翼型,证明了该优化方法的可行性,为风力机翼型优化设计提供了参考。     

风力机叶片的三维建模

介绍了应用UG和GAMBIT软件进行三维风力机叶片建模的方法和具体过程,提出了在叶片建模中需要遵循的原则,并给出了三维模型实例。     

复合材料与风力机叶片

叶片是风力发电设备的关键部件,随着风机容量的大型化,风机叶片也向轻量化、低成本和高性能化发展.阐述了风力机叶片技术的研发趋势,介绍了复合材料叶片设计、材料、制造、试验分析和验证等相关技术,给出了碳纤维在叶片上应用的现状、发展前景和有关叶片的新技术,提出了发展风机叶片技术的相关建议.     

高效低载的三维风力机叶片外形优化设计方法

常规风力机叶片的优化设计都是从二维翼型开始的,且翼型总是以升阻比最大为优化目标。然而,二维翼型的升阻比最大和三维叶片的高风能利用率与低气动载荷有本质的不同,采用以往的叶片优化方法常常会在提高风能利用率的同时,使叶片所受的气动载荷也提高。针对这一问题,提出基于多岛遗传算法和动量叶素理论,在给定风况条件下,以加权风能利用率最高与气动载荷最小为目标函数,以叶片各个截面的翼型型线及扭角作为设计变量,对三维叶片开展多目标优化方法设计研究。并对某实际NREL Phase VI叶片进行优化设计,结果表明：在给定风况下相比原叶片,优化叶片在风能利用率提升了3.06%的基础上,叶根弯矩降低了11.68%。在变转速与变风况下,优化叶片的气动效率整体提升,叶根弯矩明显降低。     

风力机预弯叶片多目标优化设计

在风力机预弯叶片的设计中,叶片弦长扭角分布、铺层结构与弯曲型线之间存在着复杂的耦合设计关系,具有良好性能的叶片不仅要求年发电量高、重量轻,而且要求对主机产生的载荷小。为了使设计叶片在其生命周期内能经受各种复杂的工况,文章提出在组合危险工况下进行叶片的极限设计载荷计算,基于提出的叶片预弯型线设计方法构建了预弯叶片的气动外形和铺层结构一体化优化设计模型,以叶片的年发电量最大、质量最小和对主机的载荷最小为目标,以叶片的气动外形及叶片铺层结构的关键参数为设计变量,在满足材料强度、叶尖最大变形、振动频率的约束条件下,采用多目标粒子群算法(MOPSO)对现有的某1.5 MW风力机叶片进行优化设计。结果表明,优化设计得到的叶片Pareto最优解集可满足主机不同的匹配需要,对最优解集叶片进行分析,挑选得到了综合性能比原1.5 MW风力机叶片均有较大提高的新叶片。     

风力机叶片三维效应翼型气动参数修正研究

以NRELPhase VI风力机为研究对象,对低雷诺数下叶片三维效应翼型气动参数修正进行研究.通过三维CFD数值模拟与二维翼型风洞实验,比较和检验现有的Snel、Lindenburg、Du&Selig、Chaviaropoulos&Hansen这4种修正公式.结果显示修正效果明显不同,以Du&Selig修正公式效果最佳...     

基于多目标遗传算法的垂直轴风力机专用翼型优化设计

为提升垂直轴风力机翼型综合气动性能,建立针对多运行工况的翼型优化设计方法。采用CST参数化方法表征翼型几何外形,通过优化的拉丁超立方抽样方法进行空间采样,利用CFD方法计算翼型气动力,并建立径向基函数神经网络代理模型,以翼型小攻角下升力和失速攻角下升阻比最优为设计目标,采用多目标遗传算法在代理模型上进行寻优,获得适用于垂直轴风力机的专用翼型以提高其在不同尖速比下的旋转力矩。对风力机常用翼型NACA0018进行优化,结果表明：以翼型失速攻角和最大升阻比攻角为优化目标,不仅提高了单翼型的升力系数与升阻比,而且将优化翼型应用于垂直轴风力机时还可提升使整机力矩系数。