[发明专利]基于运行攻角偏差修正的低风速风力机叶片气动设计方法

说明书

本发明公开了一种基于运行攻角偏差修正的低风速风力机叶片气动设计方法，该方法首先推导叶片上叶素运行攻角相对最佳攻角的偏移量，建立运行攻角偏移量与设计叶尖速比、叶素径向位置间的函数关系；然后构建基于四分法的设计叶尖速比搜索方法和基于偏差量分布规律的设计攻角修正方法；最后利用基于PROPID程序的逆设计方法设计出对应的叶片弦长、扭角分布。本发明从协调气动性能和跟踪控制效果对低风速风力机叶片的几何外形进行优化，在保证叶片外形满足加工和结构性能要求的前提下，有效提高了低风速风力机的平均风能捕获效率和动态年发电量。

技术领域

本发明属于低风速风力机气动设计领域，特别是一种基于运行攻角偏差修正的低风速风力机叶片气动设计方法。

背景技术

近年来，低风速风力机(Variable-Speed Wind Turbines VSWTs)已成为风电市场上的主要机型。叶片气动性能直接决定低风速风力机的气动效率，而设计叶尖速比λ_opt和设计攻角α_dgn是影响气动性能的关键设计参数。传统气动逆设计方法基于低风速风力机在大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)阶段始终运行在设计叶尖速比λ_opt、始终以最大风能利用系数捕获来流风能这一隐含假设，通常只针对单一的静态气动性能指标进行优化。即依据叶素-动量理论选择对应最大的叶尖速比作为λ_opt，选择最佳攻角α_opt(即对应翼型升阻比最大的攻角)作为设计攻角α_dgn。但低风速风力机运行于实际湍流风况时，由于大转动惯量风轮的慢动态特性，MPPT控制下风轮转速也无法实时跟踪快速波动的风速。这导致风轮在大部分时间运行在非设计叶尖速比，相应地，其上叶素的运行攻角也偏离α_opt。利用这类依据静态气动性能选择λ_opt和α_dgn的传统气动逆设计方法设计的叶片，运行于湍流风况下气动效率将低于设计预期。

针对这一现象，现有技术从协调低风速风力机动态跟踪性能的角度出发，提出了重点优化来流风能分布集中叶尖速比区间风能利用系数C_P的方法。这类方法将不同运行叶尖速比对应C_P的加权平均作为多工况目标函数，通过遗传算法直接修改叶片的弦长、扭角，最终搜索到对应目标函数最大的弦长、扭角作为优化叶片的气动外形。该方法由于依赖智能算法进行寻优，应用时存在优化变量维数多、计算成本较高的缺点，且优化结果具有随机性，且可能收敛于局部解。

这类方法未给出跟踪动态性能和气动性能的影响因素。在机理上，低风速风力机的跟踪动态性能由设计叶尖速比λ_opt决定，λ_opt越小，相同风速变化引起的最优转速变化越小，风力机转速能够越快地跟踪上最优转速；气动性能由叶素的运行攻角决定，运行攻角越接近最优攻角α_opt，翼型升阻比越大，气动效率越高。通过优化设计叶尖速比λ_opt和设计攻角α_dgn，可以基于逆设计方法直接获得优化的叶片气动外形，优化结果快速、准确。因此如何选择λ_opt和α_dgn这两个关键设计参数，以改善低风速风力机的动态跟踪性能和运行攻角分布，提高MPPT阶段来流风能的捕获，现有技术还有待完善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于运行攻角偏差修正的低风速风力机叶片气动设计方法，通过优化设计叶尖速比和设计攻角这两个关键气动参数，优化低风速风力机MPPT阶段的跟踪动态性能和运行攻角，在保证叶片外形满足加工和结构性能要求的前提下，有效提高低风速风力机的平均风能捕获效率和动态年发电量。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于运行攻角偏差修正的低风速风力机叶片气动设计方法，包括以下步骤：

步骤1、设置叶片气动外形的初始参数，具体为：