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%.     

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。     

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。     

基于并行遗传算法的低风速高性能风力机叶片优化设计

根据美国可再生能源实验室提出的适用于低风速的翼型S822、S823建立初始叶片,并采用遗传算法在基于叶素-动量理论计算结果的基础上对叶片的弦长和安装角进行优化,最后采用CFD方法对设计点进行深入计算分析验证.数值研究结果证明,采用这种方法设计的风力机叶片在低风速下具备较好的气动性能.     

复合材料风力机叶片气动/结构一体化优化设计

基于多学科优化理论,提出复合材料风力机叶片气动/结构一体化优化设计方法。采用多岛遗传算法,以叶片的气动和结构性能为约束、质量为目标,对复合材料风力机叶片进行优化设计。气动性能分析采用叶素动量理论,考虑叶梢损失和轮毂损失。结构分析采用有限元方法对风机叶片三维参数化CAD模型进行分析。算例结果证明了该方法的有效性,对实际的工程设计有较强的参考价值。     

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。     

风力机齿轮箱的优化设计

描述了风力机齿轮箱的优化设计方法和计算程序。优化数学模型以齿轮箱主要零件的质量之和作为目标函数,以齿轮和轴的强度要求等条件作为约束条件,采用SUMT内点法进行优化。     

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。     

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。     

基于遗传算法的风力机塔架最优化设计方法

探讨了遗传算法在风力机塔架结构优化设计中的应用.通过对经典遗传算法进行改进,建立了存在约束条件的遗传算法优化设计模型;考虑结构受力特点,给出了塔架体系在屈曲性能约束条件下的最优化设计方法.另外,针对遗传算法容易收敛到局部最优点的缺陷,改变各变量相应初始界限值,进行两次遗传算法操作运算,使工作效率提高,且结果更为精确.最后,对某风力机塔架进行在简化荷载作用下的最优化设计,得到了较满意的结果.     

Transformation algorithm of wind turbine blade moment signals for blade condition monitoring

To simplify signal analysis on wind turbine blades and enable their efficient monitoring, this paper presents a novel method of transforming blade moment signals on a horizontal axis 3-blade wind turbine. Instead of processing 3-blade moment signals directly, the proposed algorithm transforms the three sinusoidal signals into two static signals relative to the center of blade rotation through vector synthesis and coordinate transformation, and eliminates frequency components due to blade rotation from the obtained signals. Moreover, as an alternative to a rotational sensor, a blade rotation angle estimator is introduced. Its effectiveness was confirmed through simulations and field tests on an actual wind turbine.     

基于Wilson法风力机叶片设计及试验研究

基于MATLAB平台,采用Wilson方法设计了1台300 W水平轴风力机,通过筛选选择某S翼型进行叶片设计,并对其气动性能进行了计算。计算结果表明,S翼型风轮有效尖速比范围较宽,功率系数CP值在0.3以上的区域所对应的尖速比λ为4¹0.5,整体的功率系数变化平缓;最大推力系数CT在高尖速比时变化平稳;有效转矩系数CM为310.5,整体的功率系数变化平缓;最大推力系数CT在高尖速比时变化平稳;有效转矩系数CM为3¹2.3,S翼型叶片气动性能较好。自制风力机样机在低速风洞中进行试验,试验结果表明,在风速为412.3,S翼型叶片气动性能较好。自制风力机样机在低速风洞中进行试验,试验结果表明,在风速为4¹4 m/s时,与市场上某300 W传统翼型风力机相比,S翼型风力机功率平均提高了30.76%,尤其在风速为414 m/s时,与市场上某300 W传统翼型风力机相比,S翼型风力机功率平均提高了30.76%,尤其在风速为4⁶ m/s时,S翼型风力机功率提高较大,可以更好地利用中低风速。通过计算和试验研究可知,该S翼型适用于小型风力机叶片的设计。     

风力机模型叶片结构设计计算

设计了一种用于风洞实验的风力机模型叶片,为了使模型叶片的结构设计达到试验要求,基于传统Wilson方法,考虑叶尖损失和失速状态下动量理论的失效修正,采用改进后的Wilson优化设计方法 ,利用MATLAB优化工具箱计算出各截面的参数,然后针对叶片的受力情况,根据各截面几何参数利用材料力学理论知识对叶片的强度和刚度进行校核,计算得到叶片的总应力、转角和挠度沿叶高的分布曲线。分析表明,叶片的最大总应力、最大转角和最大挠度都远小于叶片材料的许用值。因此,该风力机模型叶片在结构设计、强度和刚度上是满足要求的,为风力机模型的进一步试验研究奠定了基础。     

Isogeometric based framework for aeroelastic wind turbine blade analysis

A framework based on isogeometric analysis is presented for parametrizing a wind turbine rotor blade and evaluating its response. The framework consists of a multi‐fidelity approach for wind turbine rotor analysis. The aeroelastic loads are determined using a low‐fidelity model. The model is based on isogeometric approach to model both the structural and aerodynamic properties. The structural deformations are solved using an isogeometric formulation of geometrically exact 3D beam theory. The aerodynamic loads are calculated using a standard Blade Element Momentum(BEM) theory. Moreover, the aerodynamic loads calculated using BEM theory are modified to account for the change in the blade shape due to blade deformation. The aeroelastic loads are applied in finite element solver Nastran, and both the stress response and buckling response are extracted. Furthermore, the capabilities of Nastran are extended such that design dependent loads can be applied, resulting in correct aeroelastic sensitivities of Nastran responses, making this framework suitable for optimization. The framework is verified against results from the commercial codes FAST and GH Bladed, using the NREL 61.5m rotor blade as a baseline for comparison, showing good agreement. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于流固耦合的风力机模态分析

风力机大型化的发展趋势对风力机自身动力学特性的要求越来越高,开展风力机模态分析对于风力机的设计至关重要。文章采用k-ωSST紊流模型和滑移网格技术,对美国国家可再生能源实验室5 MW海上风力机进行了流固耦合模态分析。结果表明,旋转风轮中各叶片变形相互影响,并与轮毂的弹性变形成为一个耦合系统,其固有频率相对于单叶片有较大幅度降低;动力刚化效应使得叶片的固有模态频率增加;考虑风轮的流固耦合效应时,风轮的自振频率要比不考虑流固耦合效应时低;整机在流固耦合作用下一阶模态值大于旋转频率,大于波浪的频率,不会发生共振。     

某燃气轮机涡轮叶片复合冷却结构优化设计

为了提高涡轮叶片设计效率,搭建了基于一维管网理论的iSIGHT优化设计平台,获得了叶片的优化结构,并对其进行三维仿真计算分析。研究表明：优化前后叶片的气动性能变化不大,总压损失仅在端壁处略有差别;优化后涡轮叶片的壁面温度分布更加均匀,壁面的最高温度降低,温度梯度减小,最大相对温差降低10%左右;在降低叶片热应力的同时相对冷却效率提高1.0%。     

大型水平轴式风电叶片的结构设计

风电叶片是风力发电设备的关键部件之一,其制造成本占总成本的20%～30%.叶片结构是叶片捕获风能的保证,并直接影响风力发电设备的运行寿命.因此,叶片结构设计的好坏在很大程度上决定了风力发电设备的可靠性和利用风能的成本.文章从材料、结构形式、铺层设计、结构分析等4个方面详细地阐述了风电叶片结构的设计技术.     

Aeroelastic multidisciplinary design optimization of a swept wind turbine blade

Mitigating loads on a wind turbine rotor can reduce the cost of energy. Sweeping blades produces a structural coupling between flapwise bending and torsion, which can be used for load alleviation purposes. A multidisciplinary design optimization (MDO) problem is formulated including the blade sweep as a design variable. A multifidelity approach is used to confront the crucial effects of structural coupling on the estimation of the loads. During the MDO, ultimate and damage equivalent loads are estimated using steady‐state and frequency‐domain–based models, respectively. The final designs are verified against time‐domain full design load basis aeroelastic simulations to ensure that they comply with the constraints. A 10‐MW wind turbine blade is optimized by minimizing a cost function that includes mass and blade root flapwise fatigue loading. The design space is subjected to constraints that represent all the necessary requirements for standard design of wind turbines. Simultaneous aerodynamic and structural optimization is performed with and without sweep as a design variable. When sweep is included in the MDO process, further minimization of the cost function can be obtained. To show this achievement, a set of optimized straight blade designs is compared to a set of optimized swept blade designs. Relative to the respective optimized straight designs, the blade mass of the swept blades is reduced of an extra 2% to 3% and the blade root flapwise fatigue damage equivalent load by a further 8%.     

Optimum aerodynamic design for wind turbine blade with a Rankine vortex wake

This paper presents a model to optimize the distribution of chord and twist angle of horizontal axis wind turbine blades, taking into account the influence of the wake, by using a Rankine vortex. This model is applied to both large and small wind turbines, aiming to improve the aerodynamics of the wind rotor, and particularly useful for the case of wind turbines operating at low tip-speed ratios. The proposed optimization is based on maximizing the power coefficient, coupled with the general relationship between the axial induction factor in the rotor plane and in the wake. The results show an increase in the chord and a slightly decrease in the twist angle distributions as compared to other classical optimization methods, resulting in an improved aerodynamic shape of the blade. An evaluation of the efficiency of wind rotors designed with the proposed model is developed and compared other optimization models in the literature, showing an improvement in the power coefficient of the wind turbine.