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风机叶片的结构优先设计方法

2012-07-11 16:07
科技潮人
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  1.风机叶片设计方法概述

  风机叶片设计过程通常包括两个阶段:叶片形状设计和叶片结构设计。按照以上两个过程在设计中的实施顺序和优化目标,现有的风机叶片设计方法大致可以分为以下3种:

  1.1 传统的设计方法:先形状后结构[1]

  先形状后结构的设计方法是先进行形状设计,然后在最优的形状设计基础上进行结构设计。叶片形状设计的优化目标是最大化能量输出,在设计寿命一定的前提下,该目标记为max AEP (Annual Energy Production);而叶片结构设计则是在满足应力/振动/疲劳等约束的前提下,选择合适的结构、材料和加工工艺,以实现成本最小化,该目标记为min TCO (Total Cost of Ownership)。

  该方法的优点是将叶片形状设计和结构设计解耦,降低了设计的复杂度;缺点是由于形状设计先于结构设计,则在优化的早期过度的强调了形状的重要性,虽然获得了最优的形状设计,但却伴随着难以实现的结构设计和较昂贵的材料(如碳纤维)。

  1.2 折衷的设计方法:气动性能的牺牲换取结构优化[2]

  针对传统的设计方法的缺点,设计人员在该设计方法的基础上进行了改进,用折衷(Trade-off)的办法来处理叶片结构设计和形状设计的矛盾。通常的做法是:首先按照先形状后结构的方法进行设计,然后针对结构设计结果中的瓶颈参数,适当的放松对叶片形状设计的优化要求,通过在最优的形状设计的附近进行小范围的调整来达到以少量的性能牺牲换取大量的成本降低。但该方法仍然是围绕叶片形状设计的最优结果进行的局部寻优过程,并且该性能牺牲未必能确保该优化过程在有限次内收敛。

  1.3 全局寻优的设计方法:同时进行形状设计和结构设计[3]

  为了达到更加接近于全局最优的设计结果,设计人员提出了将叶片的形状设计和结构设计同时综合考虑的设计方法。他借助CAD和高性能计算等手段,同时优化叶片的结构和形状,使叶片设计最大限度的接近全局最优。该方法的优化目标是使度电成本COE(Cost of Energy)最小化。该指标是业界公认的风机优化设计指标,如(1)所示,COE兼顾了MaxAEP和MinTCO两个重要指标,通过适当的修正,它将更适用于风机叶片的设计。

  COE = Cost / Energy =TCO / AEP*Years

  虽然通过该方法可以获得最接近于全局最优的设计结果,但是这是以巨大的计算量作为代价的。由于叶片的形状设计与风力资源情况、风轮的控制策略以及电机的设计有较强的关联,而叶片的结构设计则需要考虑各种结构、材料和工艺的选择,这样将叶片的形状设计和结构设计进行整合,意味着将风机设计几乎全部工作整合在一起,带来的巨大计算量大大减少了该方法在工程设计中的应用。

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