水平轴风力机叶片可适应性设计方法与流程

技术特征：

1.一种水平轴风力机叶片可适应性设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，建立包含不同规格型号的叶片模型库；

步骤二，叶片结构和功能可适应性分析，在传统风机设计方法的基础上利用公理设计方法分析确立叶片每一部分所具有的功能以及功能实现过程中所依靠的结构，并且实现结构以及功能的独立性分析；

步骤三，叶片模块化划分，根据可适应性分析的结果对叶片模型库所有叶片进行模块化划分，把叶片沿截面分成不同的模块段；

步骤四，创建模块表征参数和控制参数，采用表征技术理论，通过叶片模块所包含的一组参数对每个模块进行描述，通过控制参数来度量模块与模块之间的差别程度；

步骤五，模块信息量计算和模块选择，从叶片模型库中选择与设计要求相近的一款叶片做原型叶片，根据设计需求确定原型叶片和满足设计要求的叶片之间的区别之处，并以此确定加权因子；然后进行模块信息量的计算并根据计算结果选择替换模块组合成完整叶片；步骤六，组合叶片的气动特性和结构特性评价，根据计算结果分析该叶片是否能够满足设计要求，若满足设计要求则该组合方案通过，若不满足则重新设计。

2.根据权利要求1所述的水平轴风力机叶片可适应性设计方法，其特征在于，步骤一中，所述不同规格型号的叶片是指能够适应不同风速风场或具有不同输出功率的风机叶片。

3.根据权利要求1所述的水平轴风力机叶片可适应性设计方法，其特征在于，步骤二中，所述叶片结构和功能可适应性分析是指：根据叶片沿展向方向不同位置处所具有的特殊结构和其所能提供的相应功能对叶片进行阶段式划分，来实现单独改变某个模块结构参数时并不会对其他模块功能产生影响，使每个模块都能够基于其独立的自身结构的基础具有独立的功能，为方便模块的划分和替换建立基础。

4.根据权利要求3所述的水平轴风力机叶片可适应性设计方法，其特征在于，所述可适应性分析方法为：

利用分级模块组织划分优点，将叶片进行高级模块划分；根据用户需求可得到功能域与物理域之间的映射，

功能域：

FR₁—风机额定功率3MW；

FR₂—保证风机叶片运行可靠性，要求叶片有足够的机械强度；

FR₃—较高的风能捕获率；

FR₄—保证风机的正常启动；

FR₅—要符合环境保护的设计要求；

为满足FR，需要首先保证FR的独立性，其次是要保证FR和DP与最高层次的设计决策一致；

物理域：

DP₁—风轮直径即叶片长度；

DP₂—保证叶根部位的结构强度，叶片翼型要有足够的厚度比；

DP₃—功率输出部分即叶中段要有较高的升阻比、较好的气动特性；

DP₄—1：变桨控制；2：叶尖处翼型有较好的气动特性；

DP₅—采用三叶片模式，采用降噪设计或装置；

映射关系由设计方程表示：

$\left\{\begin{array}{c}F{R}_1\\ {\mathrm{FR}}_2\\ {\mathrm{FR}}_3\\ {\mathrm{FR}}_4\\ {\mathrm{FR}}_5\end{array}\right\}=\left[\begin{array}{ccccc}X& 0& 0& 0& 0\\ 0& X& 0& 0& 0\\ 0& X& X& 0& 0\\ X& 0& 0& X& 0\\ 0& X& 0& 0& X\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}D{P}_1\\ D{P}_2\\ {\mathrm{DP}}_3\\ {\mathrm{DP}}_4\\ {\mathrm{DP}}_5\end{array}\right\}.$

5.根据权利要求1所述的水平轴风力机叶片可适应性设计方法，其特征在于，步骤三中，所述叶片模块化划分是指在叶片可适应性分析的基础上对叶片划分合理的模块，模块分为叶根模块、载荷承载模块、功率输出模块、叶尖模块，根据粒度适中原则，采用有差别粒度分级方法，对叶片进行二级模块化处理，即对叶根模块、载荷承载模块、功率输出模块、叶尖模块分别进行模块化划分；划分后的模块均具有前端面和后端面。

6.根据权利要求1所述的水平轴风力机叶片可适应性设计方法，其特征在于，步骤四中，所述表征参数是指：能够对模块的外形及尺寸进行描述的参数，是把模块进行参数化处理，对叶片库中所有叶片进行模块化划分并建立表征参数化模块数据库；所述表征参数包括模块前端截面翼型和模块后端截面翼型的弦长、扭角、相对厚度、升力系数、阻力系数、升阻比和该模块的粒度；所述控制参数是指能够反应出两个模块在外形和尺寸上相似程度，所述控制参数包括两个模块的前端截面翼型的弦长、扭角、相对厚度、升力系数、阻力系数、升阻比的差值百分比和两个模块后端截面翼型的弦长、扭角、相对厚度、升力系数、阻力系数、升阻比的差值百分比和两个模块粒度之间的差值百分比。

7.根据权利要求6所述的水平轴风力机叶片可适应性设计方法，其特征在于，所述表征参数化模块数据库：

模块M1＝(X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9...Xn，K1，K2，K3)(X1＝弦长C1，X2＝弦长C2，X3＝扭角θ1，X4＝扭角θ2，X5＝厚度比，X6＝厚度比2，X7＝攻角1，X8＝攻角2，X9＝翼型类型...Xn)

模块M2＝(X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9...Xn)

模块M3＝(X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9...Xn)

模块M4＝(X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9...Xn)

模块Mn＝(X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9...Xn)

所述控制参数：

$I_j=\frac{x_j+x}{x_j}$

其中x_j为原型叶片某模块的一个表征参数，x表述叶片库中某一模块相对应的表征参数。

8.根据权利要求7所述的水平轴风力机叶片可适应性设计方法，其特征在于，步骤五中，所述模块信息量计算是指：原型叶片中的任意一个一级模块内的二级模块与模块库中的相对应一级模块内的二级模块之间的控制参数的加权值；所述原型叶片是指：客户希望在此叶片上进行升级使其具有新的功能或者客户需要的风机其运行环境相对于原型风机只是小范围内改变；

评价函数法：

对于单个模块，其信息量表达式可表示成：

f_i(x)＝u₁I₁+u₂I₂+u₃I₃+u₄I₄+u₅I₅+u₆I₆+…+u_jI_j

对于整体叶片，其信息量表达式可表示成：

F(x)＝w₁f₁(x)+w₂f₂(x)+w₃f₃(x)+w₄f₄(x)+…+w_if_i(x)

其中，u₁,u₂,u₃,u₄,u₅,u₆,…u_j；w₁,w₂,w₃,w₄,w₅,w₆…w_i为相应的加权因子，加权因子u的设定是根据该表征参数对两个模块相似度的影响程度而定，其值的大小影响到选择相似模块过程中某一个表征参数所起的决定程度；加权因子w的设定是根据该模块对整体叶片某种特性影响的程度而定，其值的大小影响到该模块在对叶片产生某种特性所起的决定程度；通过原型叶片和叶片模块库中所有模块进行搜索计算信息量，再根据客户需求来调整u和w可以得到不同的F(x)值，选择具有最小信息量的叶片作为优选结果，选择其对应的模块进行组合即可得到一个完整的叶片。

9.根据权利要求1所述的水平轴风力机叶片可适应性设计方法，其特征在于，步骤六中，所述组合叶片气动特性和结构特性评价是指通过软件对风机模型进行计算，根据计算结果和设计要求进行对比，分析叶片是否能够满足风机功率输出要求、结构强度要求以及风机的运行状况是否正常。