专利名称：一种水平轴风力机叶片的极限载荷预测计算方法
技术领域：
本发 明涉及风力机叶片的载荷预测计算，特别是水平轴风力机极限载荷的预测计
算方法。
背景技术：
风力机的载荷源主要有以下几种空气动力载荷、重力载荷、惯性载荷(包括离心和回转效应)、由于控制系统作用引起的运行载荷(例如，刹车、偏航、变桨距控制和发电机脱网等)。在叶片设计中，主要是考虑由这些载荷源引起的极限载荷和疲劳载荷。到目前为止，大部分风力机主要是因为各种极限状况的出现而失效的，严重的甚至无法修复。因此，极限载荷是叶片铺层设计时的重点。另外，国内的低风况区域分布广泛，随着我国风电产业的发展，设计出能适应低风况的叶片将是大势所趋。但此类叶片的设计与传统的叶片设计相比具有如下特点，叶片本身将变得更长，叶片也更柔，而与整机的接口参数如叶根的最大弯矩等又不允许增加，因此如何控制极限载荷以及开展极限载荷条件下的叶片设计已经成为急需解决的技术难题。而传统的叶片设计理念和方法，大部分均以叶片的最大气动效率，如最大能量输出、最小能量成本，最小质量等经济性指标为设计目标，进行叶片气动、结构设计及优化。但该设计思路无法解决长叶片带来的高载荷问题。所以建立叶片极限载荷的预测计算模型对解决以上问题具有重要意义。极限载荷预测计算一直是风力机优化设计过程中的一大难点，也是近几年来国外一直研究的热点。目前来说，主要有两类方法来计算预测叶片的极限载荷，一类是工程上经常使用的方法，也是相对来说最准确的方法，它主要是依据GL或IEC标准定义的工况进行计算分析，对每一个工况都进行气弹模拟，然后根据计算得到的结果进行统计得到。而由于风力机的工作风速范围广，运行工况复杂多变，采用这种方法预测计算出叶片所受到的极限载荷将非常复杂耗时且不易用于叶片铺层的优化设计中。另一类方法主要是基于有限的载荷数据(测量或计算得到的)采用统计学分析方法和外插方法得到叶片的极限载荷，但它们存在以下问题，即如何为已知数据找到一个合适的概率分布函数；如何由短期的载荷分布得到长期的载荷分布；如何定义预测结果的不确定度。所以有必要建立一种新的极限载荷预测模型，它将具有快速而又准确的特点，为叶片的铺层设计甚至是气动设计提供帮助。
发明内容
针对现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种水平轴风力机叶片的极限载荷预测计算方法，该方法具有快速而又准确的特点，且计算结果可以方便地应用于叶片铺层优化设计等问题中。本发明为解决其技术问题所采取的技术方案为一种水平轴风力机叶片的极限载荷预测计算方法，采用智能优化算法进行极限载荷求解，其特征在于，所述极限载荷预测计算方法包括如下步骤
I)选取风力机的转速Q、桨矩角P 2、来流风速V1、偏航角Y和方位角V为自由
变量；2)建立叶片各截面各方向的载荷同上述自由变量的关系(a)首先建立叶片的气动力Fa和上述自由变量的关系，将叶片分成多个互不相关的叶素，设每个叶素中各截面翼型、来流速度V1、攻角a相同，叶素处的合成气流速度Vtl作用在长度为dr的叶素上的气动力0^可分解为法向力dFn和切向力dFt，dFn和dFt可分别表示为，
权利要求
1.一种水平轴风力机叶片的极限载荷预测计算方法，采用智能优化算法进行极限载荷求解，其特征在于，所述极限载荷预测计算方法包括如下步骤 1)选取风力机的转速Q、桨矩角P2、来流风速V1、偏航角Y和方位角V为自由变量； 2)建立叶片各截面各方向的载荷同上述多个自由变量的关系 Ca)建立叶片的气动力Fa和上述多个自由变量的关系，将叶片分成多个互不相关的叶素，设每个叶素中各截面翼型、来流速度V1、攻角a相同，叶素处的合成气流速度Vtl作用在长度为dr的叶素上的气动力0^可分解为法向力dFn和切向力dFt，dFn和dFt可分别表示为，
2.根据权利要求I所述的水平轴风力机叶片的极限载荷预测计算方法，其特征在于，在上述步骤4)中最小桨距角P 2 min按下式来取值I A—mm = max(爲—mn—ra, P2imiiv) (V1 < Vout)I Amin = Amiav(^J > Ku/ ) 其中，P2—min—v为不同风速条件下对应的最小桨距角，P2jlilws为不同转速条件下对应的最小桨距角，Vout为风力机的切出风速；e2minv、e2fflin_rs按照如下方式进行取值(I)当风速ViJW时，不同风速条件下对应的最小桨距角e2—min—j e2—min—v=h—1(WOT，其中为叶片初始安装角，vin为风力机的切入风速，V'为风力机开始变桨的风速； (2)当风速V'KV1KVout时，^2 min v与风速V1的对应关系采用以下二次多项式表示 ^kv=B1(V1)WB2VAB3-A ，其中 A 运2为常数，且5°〈八运2〈15°，B:、B2、B3 为二次多项式的系数，B2, B3通过对风力机正常运行时不同风速对应的桨矩角进行二次多项式拟合的方式得到；如果计算得到的3 2—min—V ^ ^ 2—lower 取 3 2—min—v ^ 2—lower ; (3)当风速Vtjut( V^Vupper时，^ 2 min v与风速V1的对应关系采用线性关系式表示如下 ^ 2—min—v=Di (V1-Vout) +D2- A P2,其中Dp D2为线性关系式的系数，Dp D2米用如下方式确定该直线通过点(vUPPOT，90- a @ 2)和点(vout，^ 2 out),其中e 2_out满足e 2OUt=B1 (Vout)2+B2V0Ut+B3-A ^2; (4)当QQ'时，Q '为风力机额定转速附近一设定转速，^2minre与转速Q的对应关系采用线性关系式表示为 3 2_min_rs=Ci Q +C2，其中为线性关系式的系数，通过对风力机运行在额定风速时的一年一遇的极端操作阵风工况进行气弹模拟，得到风力机运行在不同转速时对应的桨矩角，对转速和桨矩角进行线性拟合得到CpC2 ; (5)当转速W 时，3 2Jlinjs=旦 2—I_r。
3.根据权利要求I所述的水平轴风力机叶片的极限载荷预测计算方法，其特征在于，采用如下方法计算叶素诱导因子a、b a)设定诱导因子a、b初值a=a0,b=b0 ； b)计算叶素的切向速度Vytl和法向速度Vxtl=Vx0=V1 (1-a)，Vy0=Qr(l+b)； c)计算叶素截面处的入流角0和攻角a ,(l-a)K #=arctanii7^, aU「@2， 其中，P1是叶素截面的扭角，02是叶素的桨矩角； d)计算叶片损失F，F=FtipFhub,叶尖损失Ftip、轮毂损失Fhub分别表示为 B(R-r)(B(r-Rllllh)) Ftip^cos-U,Fhub 二icos-、， Tl% 其中，B是叶片数，Rhub为轮毂半径，R是风轮的旋转半径； e)计算风轮的推力系数CT，Ct二冲二)/:，其中= !为风轮实度； Sm-命2nr f)求解新的切向诱导因子a: 如果Ct ^ 0. 96F，则该叶素载荷过高，新的轴向诱导因子a由下式求解
4.根据权利要求3所述的水平轴风力机叶片的极限载荷预测计算方法，其特征在于，采用如下方法计算叶素的初始诱导因子％，Iv包括如下计算步骤a)计算除叶根处的圆截面叶素外，其他所有叶素截面的入流角0和合成气流速度Vtl,
5.根据权利要求4所述的水平轴风力机叶片的极限载荷预测计算方法，其特征在于，当局部尖速比Ar >4时，根据权利要求4所述的步骤a)、c)计算叶素截面的入流角小和合成气流速度％。
6.根据权利要求3所述的水平轴风力机叶片的极限载荷预测计算方法，其特征在于，当局部尖速比X/4时，根据权利要求3中计算得到的叶素诱导因子a、b，计算叶素截面的入流角0和合成气流速度V。，
7.根据上述任一项权利要求所述的水平轴风力机叶片的极限载荷预测计算方法，其特征在于，采用如下方法计算叶片各截面各方向上的载荷，包括如下步骤 (a)将离心载荷F。和重力载荷Fg沿风轮坐标系进行分解，同气动载荷Fa—起作用在叶片上，将叶片分成N个叶素，N为大于2的整数，每个叶素对应一个节点，假设每一个叶素上的载荷是均匀分布的，各叶素上的均布载荷pk=Fe+Fg+Fa，k为整数，I彡k彡N，设X方向为风轮旋转方向，y方向为垂直于风轮旋转平面方向，z方向为旋转中心指向叶尖为正；I号节点和N号节点对应的叶素长度dz1、dzN为零(1/=(^=0 ； (b)计算各叶素截面X方向上的力Txk和由此产生的力矩Myk对于节点 I +0. 5p2dz2，My1=MyWo. 5Tx2dz2+p2(dz2)2/8 ；对于节点 N Txn=0, M/=0 ； 对于节点 N-I Txn_1=Txn+0. 5pN_1dzN_1, MyH=MyN+0. 5TxNdzN_1+pN_1 (dzN_1) 2/8 ； 对于节点N-2到2 Txk=Txk+1+0. 5pk+1dzk+1+0. 5pkdzk, Myk=Myk+1+0. 5Txk+1 (dzk+1+dzk) +0. 5pk+1dzk+1 (0. 5dzk+0. 25dzk+1)+pk(dzk)2/8 ； (C)按照和步骤(U类似的方法计算各叶素截面j方向上的力Tyk和由此产生的力矩Mxk。
8.根据上述任一项权利要求所述的水平轴风力机叶片的极限载荷预测计算方法，其特征在于，所述智能优化算法为PSO算法。
9.根据上述任一项权利要求所述的水平轴风力机叶片的极限载荷预测计算方法，其特征在于，所述PSO算法为改进的PSO算法，在所述改进的PSO算法中 Ca)惯性权值w按对数规律单调递减，其表达式为
10.根据权利要求9所述的水平轴风力机叶片的极限载荷预测计算方法，其特征在于，n为粒子总数目的约10%。
全文摘要
本发明涉及一种水平轴风力机叶片的极限载荷预测计算方法，采用智能优化算法进行极限载荷求解，选取风力机的转速、桨矩角、来流风速、偏航角和方位角为自由变量，建立叶片各截面各方向的载荷同上述自由变量的关系，根据风场类型和设计需要，对各自由变量进行约束，以叶片截面上的载荷为目标函数，使用智能优化算法(比如PSO算法)来求解极限载荷。本发明的方法具有快速而又准确的特点，且计算结果可以方便地应用于叶片铺层优化设计等问题中。
文档编号G06F17/50GK102708266SQ20121019381
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月12日 优先权日2012年6月12日
发明者廖猜猜, 徐建中, 石可重, 赵晓路 申请人:中国科学院工程热物理研究所