风力机叶片气弹剪裁与预弯外形设计的协同优化方法研究

There is a coupling relation between the shape and structural design of the wind turbine blades, with the increase of the blade length and flexibility, the influence of aeroelastic deformation and aeroelastic instability becomes an unavoidable question in the blade design. A new idea is proposed in this project which realizes the beneficial control of the blade aeroelastic characteristics in the optimization design of blade shape and structural layers. Firstly, the influence of aeroelastic characteristics on the blade aerodynamic and ultimate load performance is studied, then the new method of structural aeroelastic tailoring is proposed. With the study of coupling relation between the structural aeroelastic tailoring and pre-bent shape design, the collaborative optimization design model of the blade shape and structure is built. To verify the reliability the new theory and method, the widely used 2MW wind turbine blade is studied and its aeroelastic characteristics is analyzed. In this project, the beneficial control of blade aeroelastic characteristics is studied from the blade shape and structure design, the proposed collaborative optimization method will break through the traditional serial design method of the blade shape and layer structure, which will provides important theoretical and technical support for independent innovation design of wind turbine in China.

风力机叶片的外形与结构之间存在耦合设计关系，随着风轮叶片长度和柔韧度的增加，叶片气弹特性(气弹扭转变形及气弹失稳)对风力机气动及载荷性能的影响成为叶片设计中不可回避的问题。本项目提出在叶片外形与铺层结构协同优化设计的同时实现对叶片气弹特性有利控制的新思路。在研究预弯叶片气弹特性对其气动及载荷性能影响规律的基础上，形成预弯叶片气弹剪裁新方法；通过叶片气弹剪裁与预弯外形设计间耦合关系的研究，构建气弹影响下的风力机叶片气动外形与铺层结构协同优化设计模型；对当前广泛应用的2MW内陆低风速风力机叶片进行气弹分析及优化设计，验证本项目所提出理论方法的可靠性。本项目从叶片外形与结构设计着手研究叶片气弹特性的有利控制问题，所提出的协同优化方法突破传统的预弯形状与铺层结构的串行设计方法，为我国风力机的自主创新设计提供重要的理论和技术支撑。

叶片的气弹变形与气弹失稳是制约风力机进一步大型化发展的关键因素。风力机叶片外形采用预弯设计和玻碳混杂铺层结构可有效减轻叶片的重量和风力机的极限载荷，但叶片预弯外形和玻碳混杂铺层结构对风力机气弹变形、气动功率、气弹稳定性及成本的影响规律以及预弯叶片的气弹剪裁设计方法，是亟需进行深入研究解决的问题。针对这些问题，本项目以当前典型的2MW风电叶片为对象，研究了以下内容：.1. 基于理论分析和数值仿真分析，建立风力机预弯叶片气弹扭转变形及气弹稳定性的分析方法，揭示了风力机预弯叶片在复杂工况下的气弹变形及气弹稳定性问题。.2. 基于参数化的方法构建了风力机叶片预弯外形的表达方法，研究了叶片在不同预弯指数和叶尖最大预弯量参数下的气弹扭转变形和气弹稳定性规律。开发了风力机叶片极限载荷和变形的分析工具，建立了玻碳混合铺层结构的优化模型，并对玻碳混杂铺层结构叶片进行了优化；最后，利用该工具和新提出的成本模型对风力发电机组的整体性能进行了研究。.3. 针对预弯叶片设计中，叶片气动外形、铺层结构和预弯型线间的耦合设计关系以及叶片性能评价指标的多目标化问题，提出了基于气弹的风力机预弯叶片多学科协同优化设计新方法。.4. 针对风电叶片小批量、快速生成、产品多样化的现实需求，开展了基于 3D打印的风电叶片快速设计及成型制造技术的研究，并进行了实验验证。.本项目的开展，深入剖析了预弯外形与玻碳混杂铺层结构对风力机气弹及整机性能的影响规律，形成了基于气弹的风力机多学科协同优化设计方法。为风力机大型化、敏捷化设计制造提供了理论依据和方法。