風機葉片的結構優先設計方法風輪葉片制造技術2008-04-2508:23閱讀519評論0字號：大中小風機葉片的結構優先設計方法Structure-firstDesignApproachforWindTurbineBlades作者/Authors:JimPlatts,英國劍橋大學制造工程系.,DeptofManufacturingEngineering,CambridgeUniversity,UK齊海寧,HainingQi,博能瑞爾科技（北京）有限公司,BeijingRyleTechLtd.CHINA100062董雷,DennyDong,博能瑞爾科技（北京）有限公司,BeijingRyleTechLtd.CHINA100062趙新華,RobinZhao,北京可汗之風科技有限公司,BeijingKhanWindTechLtd.CHINA100084關鍵詞：葉片結構設計，葉片形狀設計，結構優先設計方法，結構優良的葉型，竹層積材葉片，設計民主化KeyWords:BladeStructureDesign,BladeAerodynamicDesign,Structure-firstDesignApproach,Goodstructuralshapeofblades,LaminatedVeneersBambooBlade,Designdemocracy摘要：傳統的風機葉片設計過程通常包括兩個階段：先進行葉片形狀設計，然后是葉片結構設計和材料的選擇。這種先后順序的結果通常是較優的形狀設計伴隨較難實現的結構設計或較昂貴的材料。而同時優化葉片的形狀、結構和材料又通常會導致較大的計算量。基于對葉片設計和制造過程尤其是對葉片結構設計過程中主導因素的理解，我們提出風力發電機葉片的結構優先的設計方法。在材料選定的基礎上，對葉片結構設計結果進行比較分析，以給出“結構優良葉型”的規則，然后采用這些規則進行葉片形狀設計以避免較難實現的結構。我們與劍橋大學和國際竹筒組織合作，致力于將該設計方法應用到生產實踐，采用中國的毛竹資源，用較小的形狀設計上的折衷換取結構性能的大幅提升，來制造更優性價比的風機葉片。Abstract:Asuccessfulbladedesignmustsatisfyawiderangeofobjectives,someofwhichareinconflict.Thetraditionaldesignprocesscanbedividedintotwostages:theaerodynamicdesign,thenthestructuraldesignandmaterialselection.Asaresult,thepriorityoftheaerodynamicsdesignwouldleadtoalocal-optimizedairfoilwithabadstructurehardtocarryoutorexpensivematerials.Whileoptimizingthestructure,materialanddynamicsatthesametimewouldleadtoahugecomputing.Basedontheunderstandingofthebladedesignprocessesandmanufacturingprocess,especiallythemainfactorsofthestructuredesign,Structure-firstBladeDesignApproachisready.Basedonthematerialselection,aftercomparingandanalyzingthedifferencebetweenbladestructuredesigns,rulesforgoodstructuralshapeofbladesareraised.Afterthat,aerodynamicsdesigniscarriedoutwithgoodstructuralshapesonlysothattoavoidhard-to-makebladestructures.ThecollaborativedevelopmentswiththeUniversityofCambridgeandICBR(InternationalCenterforBambooandRattan)togetherarebringingthisdesignapproachtoChinatogetlargeincreaseofthestructuralperformanceatlittlecostofaerodynamicperformance,applyingChinesebambooforblademanufacturing,andmanufacturingmorecost-effectivewindturbineblades.和MinTCO兩個重要指標，通過適當的修正，它將更適用于風機葉片的設計。COE=Cost/Energy=TCO/AEP*Years（1）雖然通過該方法可以獲得最接近于全局最優的設計結果，但是這是以巨大的計算量作為代價的。由于葉片的形狀設計與風力資源情況、風輪的控制策略以及電機的設計有較強的關聯，而葉片的結構設計則需要考慮各種結構、材料和工藝的選擇，這樣將葉片的形狀設計和結構設計進行整合，意味著將風機設計幾乎全部工作整合在一起，帶來的巨大計算量大大減少了該方法在工程設計中的應用。通過對以上已有的風機葉片設計過程和優缺點的分析，我們不難看出：風機葉片設計過程的難點在于形狀設計和結構設計之間的關系的處理，或者稱葉片設計過程的民主化問題（Designdemocracy）[4]，即如何在形狀設計和結構設計眾多的設計參數中合理的選出優先的優化參數和優化目標。形狀設計和結構設計是相互制約的兩個過程，如果形狀設計在完全不考慮結構設計的情況下進行，其結果很可能無法在結構上得以實現；而如果在形狀設計階段過多的考慮結構設計，則又會因計算復雜度的激增而影響工程可行性。本文在對原有三種設計方法研究的基礎上，綜合考慮設計結果的優化、設計難度、運算量、工程可行性、軟件實現等因素，最終提出了結構優先的設計方法。2結構優先的葉片設計方法結構優先的葉片設計方法的主要思路是：通過給葉片的形狀設計制定以葉片形狀作為描述參數的葉型規則，將那些對葉片形狀設計有重大影響的葉片結構設計相關的決策分析工作，提前到葉片的形狀設計之前進行，以便在葉片的形狀設計過程中克服結構設計可能存在的主要難點，從而獲得更接近全局最優的設計。該方法是以傳統的先形狀后結果的設計方法為基礎的，其設計步驟如下：1)設計前提：明確葉片設計的基本的前提，包括材料、工藝、風力資源、工作環境等，尤其是要明確該前提與現有設計之間的關系；2)結構分析：基于結構分析，獲得在以上前提條件下“結構優良葉型”的特征；3)形狀設計：將“結構優良葉型”的特征用葉型參數表達，作為形狀設計的約束條件，進行葉片形狀設計；4)結構設計：以葉片形狀設計的結果為基礎，進行葉片結構設計；5)結果調整：對設計結果的確認和調整。3案例：材料的革新——竹層積材3.1設計前提：新材料的引入在進行葉片設計的過程中，材料的選擇對于降低成本，提高性價比是很重要的步驟。由于傳統的設計過程第一步只考慮葉片形狀設計，卻忽略了葉片形狀設計給結構設計和造價上帶來的困難，因而不得不采用性能優良但價格昂貴的碳纖維作為主要材料。碳纖維昂貴的價格和目前的供應不足不利于葉片結構設計最小化成本的優化目標，研究人員已經開始探討關于碳-玻璃混合纖維(CarbonGlassfiberhybrid)的可能性[5]，除了廣泛采用的碳纖維和玻璃鋼葉片，天然木材也是葉片制造的可選材料。目前世界上有幾千片兆瓦級木質復合材料葉片（以下簡稱木質葉片）正在運轉，且工作情況良好。木質葉片生產工業于1986年由JimPlatts在英國懷特島首創，1993年NEGMicon首次在兆瓦級風機中使用，2004年Vestas開始使用。木質葉片除了體現出最佳的重量價格比與能耗產出比之外，木質葉片生產技術還降低了生產設備費用和人工費用，提高了生產速度，降低了生產能耗，提高了生產中工人的健康與安全因素。由于使用復合材料比例較小，木質葉片對石油價格浮動的依賴性也相對較小。目前木質葉片所選用的木材主要是芬蘭樺木(FinlandBirch)；而全世界唯一比芬蘭樺木更適合做葉片原材料的植物是中國的竹材(Bamboo)。相對于木材，竹材擁有更好的結構性能與更快的生長速度，而且竹材是我國的優勢資源，在我國產量充足，這將進一步降低葉片的價格并提高結構性能。通過與國際竹藤網絡中心合作研究竹材力學性能、疲勞性能、干燥及粘合性能，我們進一步開發了以竹復合板材為主要結構體的葉片制造工藝。本案例即以竹材的引入作為結構優先設計的前提。3.2結構分析木質葉片/竹質葉片可以作為優良的主體支撐材料，與碳纖維比較，最大的優勢在于提供同樣力學性能所需材料的經濟效益（性價比，生產能耗比等）更高；但是在進一步進行形狀設計之前，需要明確該結構設計上的重大變化對形狀設計產生的影響——這個分析過程是結構優先的設計方法與傳統方法的主要不同點所在。首先，同樣截面積的竹材的力學性能（拉伸模量，壓縮模量等）不如碳纖維。為了滿足相同的力學設計要求，竹質葉片的壁厚要比碳纖維葉片的厚，但是壁厚作為結構設計的參數不能用葉片形狀的參數表達，所以在形狀設計時可以暫時不必考慮，而將該重要的約束條件留在結構設計中進行。其次，竹層積材的加工工藝中為了使較長的竹材在力學性能上有更大的優勢，要求葉型在沿葉片長度的方向要避免突變，否則，將不得不采用更多更短然而性能將更差的竹材來擬合葉片的曲面。由此結構設計對形狀設計給出的約束可以用葉型參數來描述為“曲率的均方小于給定值”，即：，（2）其中，L表示葉片長度，y(r)表示弦長(Chord)隨長度的變化，k(r)為曲率公式，表示弦的曲率；為方便討論，將以上指標簡記為<0。然后，我們根據針對竹質葉片的特點的結構分析的結果給出更多的指標集<0，其中k=1..n。3.3形狀設計通過以上結構分析，我們已經提出了一系列指標集作為結構分析的結果，作為形狀設計過程的約束，該約束即為“結構優良葉型”的數學表達。這時形狀設計問題即為：（3）通過數學工具，解決以上優化問題，得到在此條件下的最優的葉型設計。3.4結構設計和結果調整在完成以上形狀設計的前提下，結構設計的步驟與傳統的結構設計幾乎是一樣的。由于結構設計要考慮的一些設計難點已經在形狀設計優化的過程中有所體現，因而減輕甚至避免了結構設計的瓶頸問題。4結構優良葉型結構優先的設計方法的關鍵在于“結構優良葉型”的提出。在以往的工程實踐中，針對結構設計而提出的葉型特征作為工程經驗在多處出現，盡管沒有以“結構優良葉型”的提法提出。如：“對于有葉尖剎車裝置的葉片設計來說，NREL厚葉片系列可以提供足夠的剛性”[6]“對于失速控制風機來說，葉根處的大扭角有利于風機設計”[7]需要強調的是，在結構優先的設計方法中，“結構優良葉型”具有以下標志性的特點：l在葉片形狀設計工作之前提出；l由結構工程師提出，為葉型設計服務；l特征都是與葉型相關的，并且用葉型相關的參數（包括AirfoilFamily，Chord，Thickness，Twist）進行描述；l提取原則是從那些將給予結構設計約束以最大的貢獻，或者最容易在傳統的葉片設計過程中成為結構設計瓶頸的條件之中選取。l該“結構優良葉型”是結構設計的經驗的載體，因而使用時需要明確該經驗發生作用的前提條件。5更進一步：約束表達式化為目標函數結構優先的設計方法的目標是，既要發揮單獨進行結構設計和形狀設計帶來的計算簡化的優勢，同時又要獲得接近全局尋優的設計方法的全局最優的優化結果。下面我們運用運籌學的分析手段對優化過程進行分析：傳統的葉片設計方法中葉片形狀設計部分是以葉型為變量，以獲得AEP的最大值為目標的，設計的目標的數學表達式為：（4）其結構設計的過程則是在上式優化所得的最優的葉片形狀參數的基礎上，以結構為變量，獲得結構設計部分的優化目標。雖然葉片形狀獲得了最優的結果，但結構并不是最優的，甚至有時候連局部最優的結構都無法找到，因而導致較差的結構和昂貴的材料。而對于結構優先的設計方法，我們分析結構設計中會影響到葉片形狀設計的那些因素，并將他們提取出來，我們可以把這些因素抽象歸納為以下約束的集合：（5）將這些因素考慮進葉片形狀設計過程中，則葉片形狀設計問題為：（6）通過引入運籌學的罰函數[8]的方法，將以上約束變換為目標函數，則為：（7）（8）其中為罰函數，為罰函數的線性系數，取值的大小根據約束集的強度而定，如果該約束為影響葉片生存的約束，則可以取較大的正數，以保證該約束不被破壞；如果該約束是折衷類的約束，則的大小可以需要根據該約束對優化效果的影響而定。由（7）式可以看出，當我們確定了約束集，并設定了罰函數后，加入結構考慮的葉片形狀設計相比于傳統的葉片形狀設計來說問題的形式幾乎沒有變化。然而當我們按照這個方法完成了葉片形狀設計后，結構設計將變得輕松，因為耦合葉型部分的結構設計約束都已加入，結構設計的難度已經被大大的降低了。同時，由于考慮兩者的耦合，所得到的最終結果也將大大優于原有方法。6演化的算法實現由以上分析可以看出：罰函數系數的取值和約束集的選取是本設計過程最關鍵的問題所在。當罰函數系數為0時，則本算法退化為傳統設計過程；當約束集取最大，罰函數系數取值和結構約束的形式接近COE函數的描述能力時，即結構設計可以在形狀設計前給出所有為了方便結構設計而需要的形狀設計的要求時，獲得的結果與全局尋優的設計方法一致，是設計的全局最優；而在這兩者之間的過渡值、大小一定的罰函數系數、主要的約束集，則恰恰是尋找計算量與優化效果平衡點的關鍵。在系統實現方面，結構優先的設計方法可以作為由傳統設計過程向全局尋優的設計方法的過渡算法。由于此設計過程與傳統設計過程非常類似，可以通過對現有的軟件系統進行修改得以實現。此方法相對于傳統方法最大的改變是在葉片形狀設計之前提供了一些對系統的約束，并將有約束的優化問題轉化為無約束的有罰函數的優化目標函數的優化問題，所以如果想要在葉片設計軟件中實現此方法，只需要改變傳統的葉片形狀設計的目標函數，而無需改變葉片形狀設計的內部運算過程。將全局尋優的設計方法采用模擬退火算法進行全局的尋優，并將以上罰函數系數作為模擬退火的溫度函數；或者將全局尋優的設計方法采用禁忌搜索算法，將以上約束集作為禁忌搜索的初設條件等等類似的思路都為結構優先的設計方法在計算能力獲得提高之后向真正意義的全局尋優的設計方法過渡提供了可行的方案。本文對此不再做過多討論。7結論結構優先的設計方法與原有的設計方法在計算量和優化效果比較如下：傳統的設計方法結構優先的設計方法全局尋優的設計方法折衷的設計方法計算量全局最優的設計結果優化效果

圖1本文所述的幾種設計過程的優化效果與計算量的比較示意結構優先的設計方法的主要優點是：1)避免了傳統的葉片設計過程在葉片的設計前期較早的誤入一個遠離全局最優的局部的缺點；2)避免了同時進行葉片形狀設計和葉片結構設計的計算的復雜度；3)通過明確“結構優良葉型”的概念，使形狀設計人員能夠在不陷入結構力學知識細節的前提下，明確結構設計人員的設計要求，明確的分工和交流方式使該方法在工程實踐中具有更好的可操作性；4)“結構優良葉型”的規則，作為設計經驗傳承的載體，有利于設計團隊的建設和經驗積累；5)可以通過葉片形狀設計的目標函數的變化，在現有的葉片設計軟件基礎上做簡單改進即可實現；6)通過修改葉片形狀設計的目標函數，可以靈活的為不同設計提供支持；存在的問題是：1)需要對結構設計有更深入的理解，因而一定程度上延長了設計周期；2)經驗本身的前提和可推廣性容易被設計者忽略或誤用；3)結構設計針對對葉型設計的要求中，數學表達式的尋求以及罰函數系數的設定有一定的技巧。