考虑气动弹性的风力机叶片外形优化设计（论文）.pdf

第３７卷第３期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 哈　 尔　 滨　 工　 程　 大　 学　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 Ｖｏｌ．３７ №．３ ２０１６年３月　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 Ｍａｒ．２０１６ 考虑气动弹性的风力机叶片外形优化设计 李松林，陈进，郭小锋，孙振业 （重庆大学 机械传动国家重点实验室，重庆４０００４４） 摘　 要：针对气动弹性对风力机性能的影响，引入叶片受载时的扭转角，建立了考虑气动弹性的风力机空气动力学 模型。 在此基础上，提出了以额定风速下风能利用系数为目标的优化模型，优化模型中将叶片的弦长和扭角分布 作为设计变量，并考虑了气动弹性对风力机叶片性能的影响，以８５０ ｋＷ风力机叶片作为参考叶片，运用改进的遗 传算法对其进行优化设计，结果表明：相比参考叶片，优化后的叶片的最大风能利用系数得到提高，同时，在叶片质 量减小的前提下，风力机的输出功率得到提高，最高达２３ ｋＷ。 该设计方法为设计出高性能低成本的风力机叶片 提供了理论依据。 关键词：气动弹性；风力机叶片；遗传算法；最大风能利用系数；叶片质量 ｄｏｉ：１０．１１９９０／ ｊｈｅｕ．２０１４１００４８ 网络出版地址：ｈｔｔｐ：／ ／ ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ ｋｃｍｓ／ ｄｅｔａｉｌ／ ２３．１３９０．ｕ１４０５．００４．ｈｔｍｌ 中图分类号：ＴＫ８３　 文献标志码：Ａ　 文章编号：１００６⁃７０４３（２０１６）０３⁃４２６⁃０６ Ｓｈａｐｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｌａｄｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ａｅｒｏｅｌａｓｔｉｃ ｅｆｆｅｃｔ ＬＩ Ｓｏｎｇｌｉｎ，ＣＨＥＮＪｉｎ，ＧＵＯ Ｘｉａｏｆｅｎｇ，ＳＵＮ Ｚｈｅｎｙｅ （Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００４４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ａ ｎｏｖｅｌ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌ ｔｈａｔ ｃｏｎｓｉｄｅｒｓ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ａｅｒｏｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ． Ｉｎ － ｔｈｉｓ ｍｏｄｅｌ，ｗｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅａｎｅｗ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｔｈｅｔｗｉｓｔｉｎｇａｎｇｌｅｏｆ ａｌｏａｄｅｄｂｌａｄｅ．Ｗｅａｌｓｏｐｒｏｐｏｓｅａｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｏｄ⁃ ｅｌ ｔｈａｔ ｍａｘｉｍｉｚｅｓ ｔｈｅｗｉｎｄｐｏｗｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｔｔｈｅｗｉｎｄｓｐｅｅｄｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｆｏｒｔｈｅｐｉｔｃｈｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ．Ｗｅ ｄｅｆｉｎｅｄ ｔｈｅｃｈｏｒｄｌｅｎｇｔｈａｎｄｔｗｉｓｔａｎｇｌｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓａｓｄｅｓｉｇｎｖａｒｉａｂｌｅｓ，ａｎｄｔｈｅｎｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｏｐ⁃ ｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ａｅｒｏｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ ｆｏｒ ａｎ ８５０ ｋＷ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｌａｄｅ． Ｌａｓｔｌｙ，ｗｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａ ｗｉｎｄ ｔｕｒ⁃ ｂｉｎｅ ｂｌａｄｅ ｕｓｉｎｇ ａ ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ． Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ，ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｂｌａｄｅ，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｂｌａｄｅ ｗａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｂｌａｄｅ ｉｎ⁃ ｃｒｅａｓｅｄ ａｔ ｍｏｓｔ ｂｙ ２３ ｋＷ ｗｈｉｌｅ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｓｓ． Ｔｈｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｄｅｓｉｇｎ