一种水平轴风力机叶片的极限载荷预测计算方法

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。

主权项

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Ω、桨矩角β₂、来流风速V₁、偏航角γ和方位角ψ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：（a）建立叶片的气动力F_a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α相同，叶素处的合成气流速度V₀作用在长度为dr的叶素上的气动力dF_a可分解为法向力dF_n和切向力dF_t，dF_n和dF_t可分别表示为，其中，ρ为空气密度，c为叶素剖面弦长，C_n、C_t分别表示叶素的法向力系数和切向力系数，C_n、C_t的表达式为：其中，C_l、C_d分别为叶素的升力系数和阻力系数，φ为叶素截面处的入流角；叶素截面处的入流角φ和合成气流速度V₀可分别表示为：其中，V₁为叶素截面处的来流风速，r为叶素截面的旋转半径，a为叶素轴向诱导因子，b为叶素切向诱导因子；（b）叶素单位长度上的离心载荷重力载荷其中为叶素单位长度上的质量，包括集中质量在该截面的分布；3）将离心载荷F_c和重力载荷F_g沿风轮坐标系进行分解，同气动载荷F_a一起作用在叶片上，计算叶片各截面各方向上的载荷；4）根据风场类型和设计需要，对各自由变量进行如下约束，其中，Ω_upper、Ω_lower为转速Ω的上、下限，β_{2_upper}为桨矩角β₂的上限、β_{2_min}为最小桨矩角，V_lower、V_upper为来流风速V₁的上、下限，γ_upper、γ_lower为偏航角γ的上、下限，ψ_upper、ψ_lower为方位角ψ的上、下限，这些参数由风力机实际运行的风场类型、整机参数和设计要求确定；5）以叶片某一截面的某一方向的载荷、某一截面的不同方向的载荷、叶片多个截面的某一方向的载荷、和/或多个截面的多个方向的载荷为目标函数，以步骤4）设定的约束条件，使用智能优化算法来求解相应载荷的极限值，得到极限载荷。