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【学术论文】大型下风向叶片参数化建模及两目标优化设计

2021-11-29 21:31:34浏览:271 来源:新型电力和新能源装备集群   
核心摘要:【学术论文】大型下风向叶片参数化建模及两目标优化设计


论文题目:大型下风向叶片参数化建模及两目标优化设计

论文作者:许波峰,李振,朱紫璇,蔡新,王同光,赵振宙

所属单位:河海大学可再生能源发电技术教育部工程研究中心,河海大学江苏省风电机组结构工程研究中心,南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室

发表期刊:Frontiers in Energy Research

引言

为了应对将来超大型风力机是二手吊车的发展对叶片带来是二手吊车的挑战,有学者利用棕榈树干抵抗空气动力载荷是二手吊车的原理,提出了下风向超长柔性叶片的概念。采用下风向风轮虽然会受到塔影效应对气动和气声的影响,但无需考虑叶片与塔架净空的问题,且不需要偏航轴承,能够降低叶片的刚度和重量以及整机的成本,提高风力发电的竞争力。

图1  X30下风向浮式样机


02

参数化建模及两目标优化设计方法

利用叶片的反设计方法重点研究了下风向柔性叶片的气动外形优化设计,采用遗传算法对叶片弦长、扭角和预弯设计参数进行风轮输出功率最大和叶根挥舞弯矩最小的两目标优化。
使用六阶贝塞尔曲线、三阶多项式和分段函数分别对叶片弦长、扭角和预弯进行参数化建模,确定风轮输出功率最大和叶根挥舞弯矩最小为优化目标,采用本文所建立的基于叶素动量理论的叶片功率及载荷计算模型作为评价函数,耦合遗传算法构建出了适应于下风向叶片的两目标设计方法,优化流程如图2所示。

图3  两目标遗传优化结果


表1  两目标优化后的最优解对比

叶片

P/MW

Mb/(MN·m)

A叶片

3.767(-25.51%)

2.136(-79.47%)

B叶片

4.581(-9.41%)

5.940(-42.92%)

C叶片

5.063(0.12%)

9.602(-7.73%)

D叶片

5.130(1.44%)

10.369(-0.36%)

参考叶片

5.057

10.406

图4  优化后的叶片弦长分布曲线

图5  优化后的叶片扭角分布曲线

图6  优化后的叶片预弯分布曲线

图7  优化后的叶根挥舞弯矩沿展向分布曲线


04

结论

本文以引入的5MW风力机算例为设计优化对象,以叶片弦长、扭角和预弯为设计变量,开展了风轮输出功率最大和叶根挥舞弯矩最小两目标优化的叶片设计,得到了均匀分布的Pareto最优解集,验证了本文所提出模型的稳定性与准确性,可以满足叶片反设计的初步需求。
通过对Pareto最优解集进行分析,C、D之间的解都实现了风轮输出功率更大与叶根挥舞弯矩更小的两目标优化。其中较为理想的B叶片以牺牲9.41%风轮输出功率的代价,使其叶根挥舞弯矩减小了42.92%,大大降低了叶根载荷,实现了风力机叶片的轻量化优化设计。
另外,以本文所选取的四套叶片为基础,结合Pareto最优解集对叶片的设计变量进行分析,发现增大叶片的弦长可提高风轮输出功率,但也会增大叶根挥舞弯矩;增大叶片的扭角和预弯可降低叶根挥舞弯矩,但会损失一定的风轮输出功率;对比发现叶片预弯参数对风轮输出功率和叶片挥舞弯矩的影响最大。


The End


来源:江苏省风电机组结构工程研究中心





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