风机叶片的结构优先设计方法

风机叶片的结构优先设计方法 风轮叶片制造技术 2008 04 25 08 23 阅读519 评论0 字号 大 中 小小 风风机叶片的机叶片的结结构构优优先先设计设计方法方法 Structure first Design Approach for Wind Turbine Blades 作者作者 Authors Jim Platts 英国剑桥大学制造工程系 Dept of Manufacturing Engineering Cambridge University UK 齐海宁 Haining Qi 博能瑞尔科技 北京 有限公司 Beijing Ryle Tech Ltd CHINA 100062 董雷 Denny Dong 博能瑞尔科技 北京 有限公司 Beijing Ryle Tech Ltd CHINA 100062 赵新华 Robin Zhao 北京可汗之风科技有限公司 Beijing KhanWind Tech Ltd CHINA 100084 关键词关键词 叶片结构设计 叶片形状设计 结构优先设计方法 结构优良的叶型 竹层积材叶片 设计民主化 Key Words Blade Structure Design Blade Aerodynamic Design Structure first Design Approach Good structural shape of blades Laminated Veneers Bamboo Blade Design democracy 摘要摘要 传统的风机叶片设计过程通常包括两个阶段 先进行叶片形状设计 然后是叶片结构设计 和材料的选择 这种先后顺序的结果通常是较优的形状设计伴随较难实现的结构设计或较 昂贵的材料 而同时优化叶片的形状 结构和材料又通常会导致较大的计算量 基于对叶片设计和制造过程尤其是对叶片结构设计过程中主导因素的理解 我们提出 风力发电机叶片的结构优先的设计方法 在材料选定的基础上 对叶片结构设计结果进行 比较分析 以给出 结构优良叶型 的规则 然后采用这些规则进行叶片形状设计以避免 较难实现的结构 我们与剑桥大学和国际竹筒组织合作 致力于将该设计方法应用到生产实践 采用中国的 毛竹资源 用较小的形状设计上的折衷换取结构性能的大幅提升 来制造更优性价比的风 机叶片 Abstract A successful blade design must satisfy a wide range of objectives some of which are in conflict The traditional design process can be divided into two stages the aerodynamic design then the structural design and material selection As a result the priority of the aerodynamics design would lead to a local optimized airfoil with a bad structure hard to carry out or expensive materials While optimizing the structure material and dynamics at the same time would lead to a huge computing Based on the understanding of the blade design processes and manufacturing process especially the main factors of the structure design Structure first Blade Design Approach is ready Based on the material selection after comparing and analyzing the difference between blade structure designs rules for good structural shape of blades are raised After that aerodynamics design is carried out with good structural shapes only so that to avoid hard to make blade structures The collaborative developments with the University of Cambridge and ICBR International Center for Bamboo and Rattan together are bringing this design approach to China to get large increase of the structural performance at little cost of aerodynamic performance applying Chinese bamboo for blade manufacturing and manufacturing more cost effective wind turbine blades 1 风机叶片设计方法概述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全局寻优的设计方法 同时进行形状设计和结构设 计计 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 1 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 通过对以上已有的风机叶片设计过程和优缺点的分析 我们不难看出 风机叶片设计 过程的难点在于形状设计和结构设计之间的关系的处理 或者称叶片设计过程的民主化问 题 Design democracy 4 即如何在形状设计和结构设计众多的设计参数中合理的选出优 先的优化参数和优化目标 形状设计和结构设计是相互制约的两个过程 如果形状设计在 完全不考虑结构设计的情况下进行 其结果很可能无法在结构上得以实现 而如果在形状 设计阶段过多的考虑结构设计 则又会因计算复杂度的激增而影响工程可行性 本文在对原有三种设计方法研究的基础上 综合考虑设计结果的优化 设计难度 运 算量 工程可行性 软件实现等因素 最终提出了结构优先的设计方法 2 结构优先的叶片设计方法结构优先的叶片设计方法 结构优先的叶片设计方法的主要思路是 通过给叶片的形状设计制定以叶片形状作为 描述参数的叶型规则 将那些对叶片形状设计有重大影响的叶片结构设计相关的决策分析 工作 提前到叶片的形状设计之前进行 以便在叶片的形状设计过程中克服结构设计可能 存在的主要难点 从而获得更接近全局最优的设计 该方法是以传统的先形状后结果的设计方法为基础的 其设计步骤如下 1 设计前提 明确叶片设计的基本的前提 包括材料 工艺 风力资源 工作环 境等 尤其是要明确该前提与现有设计之间的关系 2 结构分析 基于结构分析 获得在以上前提条件下 结构优良叶型 的特征 3 形状设计 将 结构优良叶型 的特征用叶型参数表达 作为形状设计的约束 条件 进行叶片形状设计 4 结构设计 以叶片形状设计的结果为基础 进行叶片结构设计 5 结果调整 对设计结果的确认和调整 3 案例 材料的革新案例 材料的革新 竹层积材竹层积材 3 1 设计前提 新材料的引入设计前提 新材料的引入 在进行叶片设计的过程中 材料的选择对于降低成本 提高性价比是很重要的步骤 由于传统的设计过程第一步只考虑叶片形状设计 却忽略了叶片形状设计给结构设计和造 价上带来的困难 因而不得不采用性能优良但价格昂贵的碳纤维作为主要材料 碳纤维昂贵的价格和目前的供应不足不利于叶片结构设计最小化成本的优化目标 研 究人员已经开始探讨关于碳 玻璃混合纤维 Carbon Glass fiber hybrid 的可能性 5 除了广泛 采用的碳纤维和玻璃钢叶片 天然木材也是叶片制造的可选材料 目前世界上有几千片兆瓦级木质复合材料叶片 以下简称木质叶片 正在运转 且工 作情况良好 木质叶片生产工业于1986年由 Jim Platts 在英国怀特岛首创 1993年 NEG Micon 首次在兆瓦级风机中使用 2004年 Vestas 开始使用 木质叶片除了体现出最佳的重 量价格比与能耗产出比之外 木质叶片生产技术还降低了生产设备费用和人工费用 提高 了生产速度 降低了生产能耗 提高了生产中工人的健康与安全因素 由于使用复合材料 比例较小 木质叶片对石油价格浮动的依赖性也相对较小 目前木质叶片所选用的木材主要是芬兰桦木 Finland Birch 而全世界唯一比芬兰桦木 更适合做叶片原材料的植物是中国的竹材 Bamboo 相对于木材 竹材拥有更好的结构性 能与更快的生长速度 而且竹材是我国的优势资源 在我国产量充足 这将进一步降低叶 片的价格并提高结构性能 通过与国际竹藤网络中心合作研究竹材力学性能 疲劳性能 干燥及粘合性能 我们进一步开发了以竹复合板材为主要结构体的叶片制造工艺 本案例即以竹材的引入作为结构优先设计的前提 3 2 结构分析结构分析 木质叶片 竹质叶片可以作为优良的主体支撑材料 与碳纤维比较 最大的优势在于提 供同样力学性能所需材料的经济效益 性价比 生产能耗比等 更高 但是在进一步进行 形状设计之前 需要明确该结构设计上的重大变化对形状设计产生的影响 这个分析过 程是结构优先的设计方法与传统方法的主要不同点所在 首先 同样截面积的竹材的力学性能 拉伸模量 压缩模量等 不如碳纤维 为了满 足相同的力学设计要求 竹质叶片的壁厚要比碳纤维叶片的厚 但是壁厚作为结构设计的 参数不能用叶片形状的参数表达 所以在形状设计时可以暂时不必考虑 而将该重要的约 束条件留在结构设计中进行 其次 竹层积材的加工工艺中为了使较长的竹材在力学性能上有更大的优势 要求叶 型在沿叶片长度的方向要避免突变 否则 将不得不采用更多更短然而性能将更差的竹材 来拟合叶片的曲面 由此结构设计对形状设计给出的约束可以用叶型参数来描述为 曲率 的均方小于给定值 即 2 其中 L 表示叶片长度 y r 表示弦长 Chord 随长度的变化 k r 为曲率公式 表示弦的曲 率 为方便讨论 将以上指标简记为 0 然后 我们根据针对竹质叶片的特点的结构分析的结果给出更多的指标集 0 其中 k 1 n 3 3 形状设计形状设计 通过以上结构分析 我们已经提出了一系列指标集作为结构分析的结果 作为形状设 计过程的约束 该约束即为 结构优良叶型 的数学表达 这时形状设计问题即为 3 通过数学工具 解决以上优化问题 得到在此条件下的最优的叶型设计 3 4 结构设计和结果调整结构设计和结果调整 在完成以上形状设计的前提下 结构设计的步骤与传统的结构设计几乎是一样的 由 于结构设计要考虑的一些设计难点已经在形状设计优化的过程中有所体现 因而减轻甚至 避免了结构设计的瓶颈问题 4 结构优良叶型结构优良叶型 结构优先的设计方法的关键在于 结构优良叶型 的提出 在以往的工程实践中 针 对结构设计而提出的叶型特征作为工程经验在多处出现 尽管没有以 结构优良叶型 的 提法提出 如 对于有叶尖刹车装置的叶片设计来说 NREL 厚叶片系列可以提供足够的刚性 6 对于失速控制风机来说 叶根处的大扭角有利于风机设计 7 需要强调的是 在结构优先的设计方法中 结构优良叶型 具有以下标志性的特点 在叶片形状设计工作之前提出 由结构工程师提出 为叶型设计服务 特征都是与叶型相关的 并且用叶型相关的参数 包括 Airfoil Family Chord Thickness Twist 进行描述 提取原则是从那些将给予结构设计约束以最大的贡献 或者最容易在传统的叶 片设计过程中成为结构设计瓶颈的条件之中选取 该 结构优良叶型 是结构设计的经验的载体 因而使用时需要明确该经验发 生作用的前提条件 5 更进一步 约束表达式化为目标更进一步 约束表达式化为目标 函数函数 结构优先的设计方法的目标是 既要发挥单独进行结构设计和形状设计带来的计算简 化的优势 同时又要获得接近全局寻优的设计方法的全局最优的优化结果 下面我们运用 运筹学的分析手段对优化过程进行分析 传统的叶片设计方法中叶片形状设计部分是以叶型为变量 以获得 AEP 的最大值为目 标的 设计的目标的数学表达式为 4 其结构设计的过程则是在上式优化所得的最优的叶片形状参数的基础上 以结构为变量 获得结构设计部分的优化目标 虽然叶片形状获得了最优的结果 但结构并不是最优的 甚至有时候连局部最优的结构都无法找到 因而导致较差的结构和昂贵的材料 而对于结构优先的设计方法 我们分析结构设计中会影响到叶片形状设计的那些因素 并将他们提取出来 我们可以把这些因素抽象归纳为以下约束的集合 5 将这些因素考虑进叶片形状设计过程中 则叶片形状设计问题为 6 通过引入运筹学的罚函数 8 的方法 将以上约束变换为目标函数 则为 7 8 其中为罚函数 为罚函数的线性系数 取值的大小根据约束集的强度而定 如果该约 束为影响叶片生存的约束 则可以取较大的正数 以保证该约束不被破坏 如果该约束是 折衷类的约束 则的大小可以需要根据该约束对优化效果的影响而定 由 7 式可以看出 当我们确定了约束集 并设定了罚函数后 加入结构考虑的叶片 形状设计相比于传统的叶片形状设计来说问题的形式几乎没有变化 然而当我们按照这个 方法完成了叶片形状设计后 结构设计将变得轻松 因为耦合叶型部分的结构设计约束都 已加入 结构设计的难度已经被大大的降低了 同时 由于考虑两者的耦合 所得到的最 终结果也将大大优于原有方法 6 演化的算法实现演化的算法实现 由以上分析可以看出 罚函数系数的取值和约束集的选取是本设计过程最关键的问题 所在 当罚函数系数为0时 则本算法退化为传统设计过程 当约束集取最大 罚函数系数 取值和结构约束的形式接近 COE 函数的描述能力时 即结构设计可以在形状设计前给出所 有为了方便结构设计而需要的形状设计的要求时 获得的结果与全局寻优的设计方法一致 是设计的全局最优 而在这两者之间的过渡值 大小一定的罚函数系数 主要的约束集 则恰恰是寻找计算量与优化效果平衡点的关键 在系统实现方面 结构优先的设计方法可以作为由传统设计过程向全局寻优的设计方 法的过渡算法 由于此设计过程与传统设计过程非常类似 可以通过对现有的软件系统进 行修改得以实现 此方法相对于传统方法最大的改变是在叶片形状设计之前提供了一些对 系统的约束 并将有约束的优化问题转化为无约束的有罚函数的优化目标函数的优化问题 所以如果想要在叶片设计软件中实现此方法 只需要改变传统的叶片形状设计的目标函数 而无需改变叶片形状设计的内部运算过程 将全局寻优的设计方法采用模拟退火算法进行全局的寻优 并将以上罚函数系数作为 模拟退火的温度函数 或者将全局寻优的设计方法采用禁忌搜索算法 将以上约束集作为 禁忌搜索的初设条件等等类似的思路都为结构优先的设计方法在计算能力获得提高之后向 真正意义的全局寻优的设计方法过渡提供了可行的方案 本文对此不再做过多讨论 7 结论结论 结构优先的设计方法与原有的设计方法在计算量和优化效果比较如下 传统的 设计方法 结构优先的 设计方法 全局寻优的 设计方法 折衷的 设计方法 计算量 全局最优的设计结果 优化效果 图1本文所述的几种设计过程的优化效果与计算量的比较示意 结构优先的设计方法的主要优点是 1 避免了传统的叶片设计过程在叶片的设计前期较早的误入一个远离全局最优的 局部的缺点 2 避免了同时进行叶片形状设计和叶片结构设计的计算的复杂度 3 通过明确 结构优良叶型 的概念 使形状设计人员能够在不陷入结构力学知 识细节的前提下 明确结构设计人员的设计要求 明确的分工和交流方式使该方法在 工程实践中具有更好的可操作性 4 结构优良叶型 的规则 作为设计经验传承的载体 有利于设计团队的建设 和经验积累 5 可以通过叶片形状设计的目标函数的变化 在现有的叶片设计软件基础上做简 单改进即可实现 6 通过修改叶片形状设计的目标函数 可以灵活的为不同设计提供支持 存在的问题是 1 需要对结构设计有更深入的理解 因而一定程度上延长了设计周期 2