計(jì)及幾何和工程約束的風(fēng)電葉片氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)特性分析

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1595 文章編號(hào)：0254-0096（2023）11-0375-07

摘 要：為分析氣動(dòng)外形參數(shù)小幅度變化對(duì)風(fēng)電葉片氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)特性的影響，以某5 MW海上風(fēng)電葉片為研究對(duì)象，構(gòu)建葉片CFD（計(jì)算流體力學(xué)）氣動(dòng)模型與復(fù)合材料有限元結(jié)構(gòu)模型，考慮某個(gè)翼型參數(shù)改變引起其所在葉素段曲面形狀變化的幾何約束，在滿足展向光順性工程約束的前提下，計(jì)算不同位置葉素段翼型弦長(zhǎng)與扭角的試驗(yàn)水平改變量，設(shè)計(jì)氣動(dòng)外形參數(shù)交互作用下的正交試驗(yàn)方案，采用極差分析和方差分析方法，選取來流風(fēng)速分別為8.0、11.4、14.0 m/s的3種工況，分析氣動(dòng)外形參數(shù)對(duì)風(fēng)電葉片氣動(dòng)扭矩和葉尖撓度的影響。結(jié)果表明，氣動(dòng)外形參數(shù)3%的試驗(yàn)水平改變量，能影響約6.7%的氣動(dòng)性能改變和約15.0%的結(jié)構(gòu)性能改變；不同位置段氣動(dòng)外形參數(shù)主效應(yīng)不同；不同位置段參數(shù)間的交互作用對(duì)葉片氣動(dòng)扭矩和葉尖撓度有著不同程度的影響。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；風(fēng)電葉片；氣動(dòng)性能；結(jié)構(gòu)性能；幾何約束；工程約束；交互作用

中圖分類號(hào)：TK83"""""""""" """"""" "" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中，葉片不僅是捕獲風(fēng)能的前沿部件，也是感受和傳遞風(fēng)載的部件［1］。葉片的氣動(dòng)外形決定了風(fēng)輪捕獲風(fēng)能的效率，是風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容［2］。葉片設(shè)計(jì)主要包括氣動(dòng)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。葉片曲面形狀復(fù)雜，翼型的選擇及其沿展向的多參數(shù)分布是決定其氣動(dòng)特性的根本因素［3］。同時(shí)，葉片的氣動(dòng)載荷分布特征又直接影響葉片強(qiáng)度和剛度等結(jié)構(gòu)性能。開展氣動(dòng)外形參數(shù)對(duì)風(fēng)電葉片氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)性能的影響研究對(duì)提高風(fēng)電葉片的可靠性具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在風(fēng)電葉片氣動(dòng)外形參數(shù)對(duì)其氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)性能影響分析方面取得了一系列的進(jìn)展。文獻(xiàn)［4-7］采用計(jì)算流體力學(xué)、相似性原理等方法，分析了翼型、風(fēng)輪直徑、湍流強(qiáng)度等參數(shù)變化和翼型吸力面凹變對(duì)風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)性能的影響?？紤]到氣動(dòng)性能直接影響氣動(dòng)載荷分布特征，文獻(xiàn)［8-10］分析了多種工況下氣動(dòng)載荷分布特征，及其葉片固有頻率、應(yīng)力應(yīng)變和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。眾多翼型幾何參數(shù)及其沿展向多參數(shù)分布特征使得葉片設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)參數(shù)與葉片性能之間的分析變得困難，為保證葉片沿展向分布的光順性，文獻(xiàn)［11-13］通過對(duì)葉片展向弦長(zhǎng)與扭角的徑向輪廓線性化、線性與二次曲線相結(jié)合等手段，分析了葉片后掠對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)特性和載荷特性的影響，并以功率系數(shù)、年發(fā)電量等為優(yōu)化目標(biāo)設(shè)計(jì)了最佳葉片輪廓。通過對(duì)氣動(dòng)外形參數(shù)添加線性化工程約束，減少了參數(shù)維度，但在保證線性化的前提下，改變?nèi)~片局部的氣動(dòng)外形參數(shù)仍能有效提升葉片的氣動(dòng)性能或改善葉片的結(jié)構(gòu)特性。同時(shí)，現(xiàn)有研究主要分析了氣動(dòng)外形參數(shù)對(duì)氣動(dòng)或結(jié)構(gòu)性能的主效應(yīng)影響，對(duì)于各參數(shù)之間交互作用的研究存在著明顯的不足，由于幾何約束引起的外形變化和氣流的湍流運(yùn)動(dòng)，忽略參數(shù)間的交互作用會(huì)直接導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的片面性和不準(zhǔn)確性，最終難以找尋最優(yōu)葉片設(shè)計(jì)方案。因此，在滿足展向光順性工程約束的前提下，考慮葉片局部變化和參數(shù)交互作用，對(duì)葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

針對(duì)上述問題，以NREL 5 MW風(fēng)電葉片為研究對(duì)象，開展外形參數(shù)化表征方法分析，計(jì)算葉片局部變化引起氣動(dòng)外形參數(shù)擬合優(yōu)度的改變量，采用有限元理論分析葉片氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)性能，根據(jù)擬合優(yōu)度確定翼型弦長(zhǎng)與扭角的試驗(yàn)水平改變量，計(jì)及因素間的交互作用，開展不同位置段氣動(dòng)外形參數(shù)對(duì)葉片氣動(dòng)結(jié)構(gòu)性能影響的正交試驗(yàn)，獲取對(duì)葉片氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)性能影響顯著的主效應(yīng)因素和交互作用因素。

1 葉片外形參數(shù)化表征與評(píng)價(jià)

葉片沿展向分為葉根區(qū)域、過渡區(qū)域和氣動(dòng)區(qū)域。為保證葉片具有良好的氣動(dòng)性能，葉片各截面弦長(zhǎng)在氣動(dòng)區(qū)域呈線性化分布特征，各截面扭角沿葉展方向逐漸減小，具有二次函數(shù)分布特征［2］。設(shè)各截面翼型弦長(zhǎng)與扭角坐標(biāo)分別為（[ri，ci]）和（[ri，θi]），根據(jù)葉片各翼型弦長(zhǎng)與扭角數(shù)據(jù)，對(duì)其沿展向的分布進(jìn)行曲線擬合，建立法方程組：

[i=1nri0i=1nri…i=1nrimi=1nrii=1nri2…i=1nrim+1??…?i=1nrimi=1nrim+1…i=1nri2mx0x1?xm=i=1nbii=1nribi?i=1nrimbi]"""""" （1）

式中：[n]——葉片翼型截面數(shù)量；[xi]——擬合系數(shù)；[m]——擬合次數(shù)；[bi]——[ci]或[θi]的對(duì)應(yīng)值，當(dāng)[bi]等于[ci]時(shí)，[m]取值為1，當(dāng)[bi]等于[θi]時(shí)，[m]取值為2。

式（1）可簡(jiǎn)寫為：

[RX=B]"" （2）

式中：[R]、[X]和[B]——式（1）中對(duì)應(yīng)的3個(gè)向量。

為評(píng)價(jià)葉片弦長(zhǎng)與扭角分布的擬合效果，采用擬合優(yōu)度[R2]對(duì)擬合程度進(jìn)行分析，[R2]值越接近于1，表明擬合估計(jì)值越接近于實(shí)際值。

[R2=bi2-（bi-bi）2bi2]"""" （3）

式中：[bi]——擬合估計(jì)值。

設(shè)葉片第[k]段葉素發(fā)生小幅度改變，氣動(dòng)外形參數(shù)變化率為[α]，翼型截面變化后的弦長(zhǎng)與扭角數(shù)值表達(dá)式為：

[bk′=（1+α）bkbk+1′=（1+α）bk+1]" （4）

對(duì)應(yīng)的法方程組和擬合系數(shù)[X′]為：

[RX′=B+αi=kk+1bii=kk+1biri…i=kk+1birmiΤ] （5）

[X′=R-1B+αi=kk+1bii=kk+1biri…i=kk+1birmiΤ"""" =R-1B+αBk=X+αR-1Bk]""" （6）

其中[Bk]為：

[Bk=i=kk+1bii=kk+1biri?i=kk+1birmi≈γi=1nbii=1nbiri?i=1nbirmi=γB]""""" （7）

擬合系數(shù)[X′]可表示為：

[X′≈X+αγX]" （8）

其中，[α]和[γ]均為小于1的常量，且隨著葉片翼型截面數(shù)量[n]增大，[γ]越小。當(dāng)變化率[α]較小時(shí)，[αγ?1]，則：

[X′≈X+αγX≈X]"" （9）

因此，可近似認(rèn)為翼型截面變化前后擬合系數(shù)保持不變。

結(jié)合式（3），葉片局部小幅度改變后的擬合優(yōu)度為：

[R2′=R2i=1nb2i+（1+α）bk-bk2+（1+α）bk+1-bk+12i=1nb2i+（α2+2α）b2k+（α2+2α）b2k+1""""" =（1-β）R2]"""" （10）

式中：[β]——擬合優(yōu)度的變化率。

由于[α]為一個(gè)數(shù)值很小的常量，忽略α的高階項(xiàng)，得到擬合優(yōu)度的變化率為：

[β=-（1+2α-2αR2）（b2k+b2k+1）-（2+2α）（bkbk+bk+1bk+1）+bk2+bk+12R2i=1nb2i+2αb2k+2αb2k+1]"""""""""""""""" （11）

2 葉片氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)分析

2.1 氣動(dòng)分析

以NREL公布的5 MW風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，葉片長(zhǎng)度為61.5 m，額定風(fēng)速為11.4 m/s，風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速為12.1 r/min［14］。選取17個(gè)代表性的翼型截面繪制成葉片曲面，在弦長(zhǎng)27%和47%位置處建立垂直于翼型弦線的腹板，得到帶有雙腹板結(jié)構(gòu)的三維葉片幾何模型，如圖1所示。

為獲得葉片氣動(dòng)分布載荷，采用CFD方法分析葉片氣動(dòng)特性。由于三葉片風(fēng)力機(jī)的軸對(duì)稱特征和葉片間湍流相互影響較小，選取實(shí)際區(qū)域的1/3作為流體計(jì)算域，并將計(jì)算域設(shè)計(jì)為圓錐臺(tái)形狀，使得空氣流過旋轉(zhuǎn)葉片后能得到充分的擴(kuò)散。為保證氣動(dòng)分析的收斂性，葉片流體域如圖2所示。采用四面體單元對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置葉片表面網(wǎng)格單元尺寸為0.1 m；在葉片表面設(shè)置10層邊界層，膨脹系數(shù)為1.2；對(duì)葉片及旋轉(zhuǎn)區(qū)域進(jìn)行加密處理，單元尺寸為1.5 m，共計(jì)約469萬(wàn)個(gè)四面體單元，約116萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。

本文采用k-ω SST湍流模型，設(shè)入口速度為11.4 m/s，收斂精度為10-6，通過對(duì)不同步長(zhǎng)下的氣動(dòng)扭矩計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，數(shù)值變化發(fā)生在千分位，驗(yàn)證了所建立氣動(dòng)模型的有效性。計(jì)算得到流場(chǎng)流速與葉片壓強(qiáng)分布如圖3所示，其中氣動(dòng)扭矩為4198 kN·m，接近該機(jī)型在額定風(fēng)速下的扭矩值［14］。

2.2 結(jié)構(gòu)分析

葉片采用雙腹板主梁結(jié)構(gòu)提高葉片剛度，通過腹板將葉片內(nèi)部分為翼型前緣、主梁和翼型后緣區(qū)域，如圖4所示。葉片作為典型的懸臂梁結(jié)構(gòu)，其鋪層主要由葉片所受的外部載荷決定。葉片的腹板以±45°的雙軸向布為主，主梁中間鋪設(shè)0°方向的碳纖維，兩側(cè)鋪設(shè)單向布和三軸向布，如圖4所示。葉片鋪層厚度從葉根到葉尖逐漸減小，在葉根部分鋪設(shè)0°和±45°的三軸向布以增強(qiáng)葉片剛度，鋪層厚度達(dá)94 mm，葉片整體鋪層結(jié)構(gòu)如圖5所示。本文所鋪設(shè)的泡沫彈性模量為48 MPa，剪切模量為22 MPa，泊松比為0.45，密度為60 kg/m3，其余材料的性能數(shù)據(jù)如表1所示。葉片采用四邊形殼單元進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，設(shè)網(wǎng)格單元尺寸為0.1 m，共計(jì)約5萬(wàn)個(gè)殼單元，如圖6所示。

葉根施加固定約束，葉片以12.1 r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，葉片表面施加CFD計(jì)算得到的氣動(dòng)載荷，考慮葉片幾何非線性效應(yīng)的影響，葉片發(fā)生的變形量如圖7所示，其中葉片最大變形量為1879.8 mm。根據(jù)葉片設(shè)計(jì)規(guī)范，要求風(fēng)電機(jī)組以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)葉尖變形量不能超過靜止條件下葉尖與塔架距離的70%，該機(jī)型靜止時(shí)葉尖與塔架的距離約為13.22 m，葉尖撓度明顯滿足該要求。

3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

葉片翼型弦長(zhǎng)與扭角分布特征影響葉片氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)性能。在葉片氣動(dòng)區(qū)域利用葉片外形參數(shù)化表征方法，根據(jù)葉片各截面弦長(zhǎng)與扭角的分布特征，采用12個(gè)翼型截面數(shù)據(jù)線性表達(dá)弦長(zhǎng)分布和14個(gè)翼型截面數(shù)據(jù)二次擬合表達(dá)扭角分布，擬合優(yōu)度分別為0.9993和0.9990，擬合優(yōu)度均超過0.99，如圖8所示。當(dāng)葉片某段葉素翼型弦長(zhǎng)或扭角發(fā)生微小改變時(shí)，弦長(zhǎng)和扭角的擬合優(yōu)度變化率較小，以氣動(dòng)①段為例，當(dāng)[α=3%]時(shí)，弦長(zhǎng)擬合優(yōu)度的變化率[β]為1.7%，扭角擬合優(yōu)度的變化率β為2.0%，擬合效果良好。本文在氣動(dòng)區(qū)域選取①、②、③共3段葉素，如圖8所示。每段葉素選定4個(gè)氣動(dòng)外形參數(shù)：前端面翼型弦長(zhǎng)（[c1]）、前端面翼型扭角（[θ1]）、后端面翼型弦長(zhǎng)（[c2]）和后端面翼型扭角（[θ2]）。在保證葉片弦長(zhǎng)和扭角擬合優(yōu)度均大于0.97的情況下，假設(shè)擬合優(yōu)度變化率為2%，經(jīng)計(jì)算設(shè)定各段弦長(zhǎng)和扭角的試驗(yàn)水平改變量為3%，如表2所示。

葉片通過多個(gè)翼型創(chuàng)建復(fù)雜曲面形狀，某個(gè)翼型參數(shù)的改變，影響該翼型所在葉素段曲面的形狀，這種由于幾何約束引起的外形聯(lián)動(dòng)變化影響葉片整體性能，同時(shí)由于氣流的湍流運(yùn)動(dòng)，葉素段翼型參數(shù)間存在交互作用。以葉片氣動(dòng)扭矩T和葉尖撓度[D]分別衡量葉片氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)性能，設(shè)計(jì)了氣動(dòng)①、②、③段3組4因素、2水平的正交試驗(yàn)，因素間的交互作用用符號(hào)“×”表示，例如：因素[c1]和因素[θ1]的交互作用用[c1×θ1]表示。根據(jù)正交表的選用原則，采用L16（215）正交表，根據(jù)交互作用將因素[c1、][θ1、][c2、][θ2]分別安排在試驗(yàn)表第1、2、4、8列，將[c1×θ1]的交互作用安排在第3列，將[c1×c2、][θ1×c2]之間的交互作用分別安排在第5列和第6列，將[c1×θ2]，[θ1×θ2、][c2×θ2]之間的交互作用分別安排在第9、10、12列，試驗(yàn)中擬將其余列作為誤差參考列，額定風(fēng)速下正交試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示。

本節(jié)計(jì)算風(fēng)速為額定風(fēng)速11.4 m/s，此外，選取來流風(fēng)速分別為8.0和14.0 m/s的兩種工況進(jìn)行同樣的分析，其中風(fēng)速為14.0 m/s的工況葉片變槳8.7°，綜合所選3種工況3段葉素氣動(dòng)扭矩和葉尖撓度計(jì)算結(jié)果，氣動(dòng)外形參數(shù)3%的試驗(yàn)水平改變量，能影響約6.7%的氣動(dòng)性能改變和約15.0%的結(jié)構(gòu)性能改變。

4 結(jié)果與分析

4.1 極差分析

由于因素和指標(biāo)的量綱與數(shù)量級(jí)不同，采用極差變化的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。

[aij′=aij-min（aij）max（aij）-min（aij）]""" （12）

式中：[aij′]——?dú)w一化處理后的指標(biāo)數(shù)值；[aij]——?dú)w一化處理前的指標(biāo)數(shù)值。

為了確定氣動(dòng)外形參數(shù)及其交互作用對(duì)葉片氣動(dòng)扭矩和葉尖撓度的影響主次順序，進(jìn)行試驗(yàn)的極差分析。如表4所示。極差的表達(dá)式為：

[Rj=max{ki}-min{ki}]" （13）

式中：[Rj]——極差，反映第[j]列因素水平變動(dòng)時(shí)試驗(yàn)指標(biāo)的變動(dòng)幅度；[ki]——任一列上水平號(hào)為[i]所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果之和的平均值。

當(dāng)交互作用極差比主效應(yīng)極差都小時(shí)，交互作用可忽略。以氣動(dòng)①段為例，主效應(yīng)和交互作用對(duì)葉片氣動(dòng)扭矩影響的主次順序依次是[θ1、c1×θ1、c1、c2]，對(duì)葉片葉尖撓度影響的主次順序依次是[θ1、θ1×c2、c1×c2、c2、c1]。顯然，[θ1]既對(duì)葉片氣動(dòng)扭矩影響最大，也對(duì)葉片葉尖撓度影響最大；影響氣動(dòng)扭矩的顯著交互作用因素有[c1×θ1]；影響葉尖撓度的顯著交互作用因素有[θ1×c2、][c1×c2]。

4.2 方差分析

由于極差分析無(wú)法對(duì)主效應(yīng)的顯著性給出精確的定量估計(jì)，另外，部分交互作用因素的極差大于主效應(yīng)的極差，影響顯著性判斷。因此，引入方差分析法對(duì)主效應(yīng)與交互作用顯著性進(jìn)行進(jìn)一步研究，結(jié)果如表5所示。

由表5可看出，就主效應(yīng)而言，對(duì)[D]影響較大的參數(shù)均為[θ1]，對(duì)[T]影響較大的參數(shù)由[θ1]變?yōu)閇c2]；就交互效應(yīng)而言，4個(gè)參數(shù)間的交互效應(yīng)沿葉片展向均存在，并在各段表現(xiàn)出不同程度的影響。方差分析結(jié)果驗(yàn)證了極差分析結(jié)果。

4.3 灰色關(guān)聯(lián)度分析

為了更加直觀的反映主效應(yīng)因素沿葉片展向的變化趨勢(shì)，采用關(guān)聯(lián)度分析的方法，通過比較關(guān)聯(lián)度數(shù)值大小來確定各個(gè)因素的影響程度。根據(jù)程序計(jì)算，試驗(yàn)所考慮的各工況各參數(shù)對(duì)葉片氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)性能的影響關(guān)聯(lián)度數(shù)值結(jié)果如圖9所示。

圖9中，c的關(guān)聯(lián)度數(shù)值為葉素段[c1]與[c2]關(guān)聯(lián)度數(shù)值的均值，θ的關(guān)聯(lián)度數(shù)值為葉素段[θ1]與[θ2]關(guān)聯(lián)度數(shù)值的均值。從氣動(dòng)①段到氣動(dòng)③段，同一額定風(fēng)速下與[D]關(guān)聯(lián)度數(shù)值較大的參數(shù)為[θ]，與[T]關(guān)聯(lián)度數(shù)值較大的參數(shù)由[θ]變?yōu)閇c]；不同風(fēng)速下[c]對(duì)[T]和[D]的影響關(guān)聯(lián)度數(shù)值結(jié)果具有相似的趨勢(shì)。

綜上，從氣動(dòng)①段到氣動(dòng)③段，從參數(shù)的實(shí)際意義看，對(duì)葉片葉尖撓度影響較大的參數(shù)均為翼型扭角，對(duì)葉片氣動(dòng)扭矩影響較大的參數(shù)由翼型扭角變?yōu)橐硇拖议L(zhǎng)，這是因?yàn)檠厝~片展向隨著扭角的增加，攻角逐漸減小，產(chǎn)生了更多的升力。翼型扭角對(duì)于葉片氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)性能的影響比翼型弦長(zhǎng)的影響更為顯著。方差分析結(jié)果、極差分析結(jié)果和關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果具有較好的一致性。

5 結(jié) 論

針對(duì)風(fēng)電葉片氣動(dòng)外形參數(shù)小幅度變化對(duì)其氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)性能的影響進(jìn)行研究，通過葉片氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)分析，獲得了葉片氣動(dòng)扭矩和葉尖撓度。沿葉片展向選取不同位置的3段葉素，以葉素段翼型弦長(zhǎng)與扭角為設(shè)計(jì)變量，葉片氣動(dòng)扭矩和葉尖撓度為響應(yīng)變量，基于考慮有交互作用的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，選取不同風(fēng)速的3種工況，利用CFD方法對(duì)不同葉素構(gòu)型的葉片進(jìn)行數(shù)值模擬，探究氣動(dòng)外形參數(shù)兩兩交互作用對(duì)葉片氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)性能的影響以及沿葉片展向隨葉素位置變化的規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1）因素的極差分析和方差分析方法一致表明，葉素段翼型弦長(zhǎng)與扭角之間存在交互作用，以氣動(dòng)①段的葉素為例，影響氣動(dòng)扭矩的最主要交互作用因素是[c1×θ1]，影響葉尖撓度的最主要交互作用因素是[θ1×c2]。因此，實(shí)際中需考慮有關(guān)交互作用因素的影響。

2）從氣動(dòng)①段到氣動(dòng)③段，不同位置段氣動(dòng)外形參數(shù)主效應(yīng)不同，翼型扭角對(duì)于葉片氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)性能的影響比翼型弦長(zhǎng)的影響更為顯著；不同位置段參數(shù)間的交互作用對(duì)葉片氣動(dòng)扭矩和葉尖撓度有不同程度影響。

3）在滿足葉片展向光順性工程約束的前提下，氣動(dòng)外形參數(shù)3%的試驗(yàn)水平改變量，能影響約6.7%的氣動(dòng)性能改變和約15.0%的結(jié)構(gòu)性能改變，由此可見，小幅度改變?nèi)~片局部氣動(dòng)外形參數(shù)，能有效提升葉片的氣動(dòng)性能或改善葉片的結(jié)構(gòu)性能，結(jié)果可對(duì)大型風(fēng)電葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要指導(dǎo)。

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ANALYSIS OF AERODYNAMIC AND STRUCTURAL PERFORMANCE OF WIND TURBINE BLADES WITH GEOMETRIC AND

ENGINEERING CONSTRAINTS

Li Jianjun，Yue Wenhui，Gao Guoqiang

（School of Mechanical Engineering， Hunan University of Science and Technology， Xiangtan 411201， China）

Abstract：To analyze the effect of small changes in aerodynamic shape parameters on the aerodynamic and structural performance of wind turbine blades， a 5 MW offshore wind turbine blade was used as the research object， a CFD aerodynamic model of the blade and a finite element structural model of the composite material were constructed， considering the geometric constraints on the change of the surface shape of the blade element segment caused by the change of a certain airfoil parameter， the test level change of the chord length and twist angle of the blade element segment at different positions were calculated under the premise of satisfying the engineering constraints of the spreading smoothness， and an orthogonal test was designed under the interaction of aerodynamic shape parameters， the effects of aerodynamic shape parameters on aerodynamic torque and tip deflection of wind turbine blades were analyzed by using range analysis and variance analysis for three operating conditions with incoming wind speeds of 8.0， 11.4 and 14.0 m/s. The results show that a 3% change in the test level of the aerodynamic shape parameters can affect about 6.7% of the aerodynamic performance change and about 15.0% of the structural performance change. The main effects of aerodynamic shape parameters are different in different position segments. The interaction between the parameters in different position segments has different degrees of influence on the blade aerodynamic torque and blade tip deflection.

Keywords：offshore wind power； wind turbine blades； aerodynamic performance； structural performance； geometric constraints； engineering constraints；interaction

收稿日期：2022-10-20

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51805163）；湖南省自然科學(xué)基金（2019JJ50192）

通信作者：高國(guó)強(qiáng)（1986—），男，博士、講師，主要從事風(fēng)力發(fā)電技術(shù)方面的研究。gaoguoqiang2016@163.com