一种利用贝塞尔函数曲线的风力机翼型设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于风力机叶片设计技术领域，提出一种风力机翼型设计方法，具体涉及 一种利用贝塞尔函数曲线的风力机翼型设计方法。
【背景技术】
[0002] 翼型设计是风力机叶片设计中的第一步，翼型廓线的设计对于风力机叶片气动外 形的设计尤为重要。在风力机翼型廓线设计的过程中，必须考虑提高翼型的气动性能以提 高风轮的利用率及降低发电量成本等。
[0003] 风力机翼型的发展是建立在低速翼型应用的基础上的，例如滑翔机翼型、FX-77翼 型以及NASA LS翼型等。为了适应风力机工作要求，从20世纪80年代国外开始研制风力 机专用翼型，目前已经开发了多个系列的翼型，主要有美国的NREL-S系列翼型、丹麦的RIS 系列翼型、荷兰的DU系列翼型和瑞典的FFA-W系列翼型。在国内，对风力机专用翼型的研 制也有了初步的发展，对于翼型的设计来说，主要分反设计法和正设计法，目前比较先进的 是基于参数化的风力机翼型设计正设计方法，该方法根据翼型廓线与翼型坐标之间的函数 关系，通过改变参数系数即可变化出无数形状不同的风力机翼型。
[0004] 但是，该方法由于翼型廓线控制点较多，参数变量增多，这给翼型设计与优化带来 较大的难度，而且优化计算时间也增多，不利于翼型的参数化优化与设计。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种只需通过几个有限的点便可控制空间 复杂曲线的变化，且空间点便于调整，容易实现翼型的参数化设计的方法。
[0006] 本发明所采用的技术方案是：一种利用贝塞尔函数曲线的风力机翼型设计方法， 其特征在于：采用三阶贝塞尔函数，该函数只需4个控制点即能表征一段曲线，而且首尾两 点是固定不变的，故一段曲线只需变化两个控制点；将翼型的上、下翼面分别用一段曲线表 示，且上、下翼面首尾两个顶点重合，然后首尾两端点平滑连接即可。
[0007] 作为优选，所述的贝塞尔函数为：
【主权项】
1. 一种利用贝塞尔函数曲线的风力机翼型设计方法，其特征在于：采用三阶贝塞尔函 数，该函数只需4个控制点即能表征一段曲线，而且首尾两点是固定不变的，故一段曲线只 需变化两个控制点；将翼型的上、下翼面分别用一段曲线表示，且上、下翼面首尾两个顶点 重合，然后首尾两端点平滑连接即可。
2. 根据权利要求1所述的利用贝塞尔函数曲线的风力机翼型设计方法，其特征在于， 所述的贝塞尔函数为：
其中，P(t)为所求的曲线二维或者三维空间坐标点，Pk为各顶点的位置向量，Bk，n(t)为 伯恩斯基函数，表达式为：
所述的三阶贝塞尔函数为： P (t) = P〇B〇，3 (t) +P1B1,3 (t) +P2B2,3 (t) +P3B3,3 (t) (3)； 其中：Bcu= l_3t+3t 2_t3, Bli3= 3t_6t 2+3t3, B2,3= 3t 2_3t3, B2,3= 3t3; 因此，三阶贝塞尔函数能表示为： P(t) = (l-3t+3t2-t3)P0+(3t-6t2+3t 3)P1+(3t2-3t3)P2+3t 3P3 (4)； 写成矩阵的形式来表示翼型上、下翼面廓线坐标：
式（5)即为翼型廓线设计模型。
3. 根据权利要求1所述的利用贝塞尔函数曲线的风力机翼型设计方法，其特征在于： 采用智能算法对翼型设计进行优化，其具体流程包括以下步骤： 步骤1 :确定设计变量、确定目标函数及确定约束条件； 步骤2 :初始化设计变量； 步骤3 :将变量导入翼型廓线设计模型中； 步骤4:判断，是否为翼型？ 若是，则计算适用度值，并顺序执行下述步骤5 ; 若否，则回转执行所述的步骤2 ; 步骤5 :根据适应度更新相关参数，相关参数包括：翼型的设计变量、迭代次数、比例因 子、权重系数； 步骤6 :判断，是否满足翼型几何型线要求？ 若否，则自适应调整相关参数，并回转执行所述的步骤2 ; 若是，则输出新翼型。
4. 根据权利要求3所述的利用贝塞尔函数曲线的风力机翼型设计方法，其特征在于： 步骤1中所述的确定设计变量，首先选取翼型上、下翼面共4个控制点8个变量作为优化设 计变量，则设计变量为：
所述的目标函数为： f (x) = max( μ I · C1Zcd+ μ 2 · cr Jc' d) (7)； 式中，U1, U2为运行工况在光滑与粗糙条件下的权值系数，卜11，卜1尤[0 1]，且μ1+μ2 = l;Cl/cd，C' i/c' d分别为翼型在光滑和粗糙状况下的升阻比；Cl，cd为光滑条件下翼型升 力系数和阻力系数； d为粗糙条件下翼型升力系数和阻力系数； 所述的约束条件包括变量边界约束条件、翼型最大厚度弦向位置约束条件、翼型前缘 半径约束条件； 其中所述的变量边界约束条件为： Xmin彡 X 彡 Xmax (8); 变量边界约束范围如表1 ; 表1变量边界约束范围
所述的翼型最大厚度弦向位置约束条件为： 0. 24 ^ Lmax^ 0. 35 (9)； 所述的翼型前缘半径约束条件，通过翼型10%弦长处的上下翼面点进行控制： 0. 02 (IO)0
5.根据权利要求4所述的利用贝塞尔函数曲线的风力机翼型设计方法，其特征在于： 步骤4中所述的计算适用度值，其具体实现过程是通过目标函数f(x) =maX(yl · C1/ cd+y2.c' Vc' d)计算适用度值。
【专利摘要】本发明公开了一种利用贝塞尔函数曲线的风力机翼型设计方法，采用三阶贝塞尔函数，该函数只需4个控制点即能表征一段曲线，而且首尾两点是固定不变的，故一段曲线只需变化两个控制点；将翼型的上、下翼面分别用一段曲线表示，且上、下翼面首尾两个顶点重合，然后首尾两端点平滑连接即可。本发明可以利用空间上几个点更方便有效地控制翼型廓线，减少了翼型优化设计的时间，提高了翼型设计的效率；设计出来的翼型具有很高的升力系数，从而降低叶片的弦长，减轻叶片所需的材料；具有较高的升阻比，从而可以提高风能利用系数；本发明可以推广到各种厚度的风力机翼型设计、飞机翼型设计及涡轮机叶片型线等复杂曲线设计，具有良好的社会价值和经济效益。
【IPC分类】F03D11-00
【公开号】CN104863799
【申请号】CN201510183743
【发明人】汪泉, 王君, 孙金风, 游颖, 邬述晖, 任军, 魏琼
【申请人】湖北工业大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年4月17日