大型風能發電機組葉片反求再設計

陶慶，孫文磊

(新疆大學機械工程學院，新疆烏魯木齊 830047)

葉片是風力發電機中的關鍵部件之一，風力機葉片的成本占整機成本的20%～30%，葉片的外形設計和翼型選擇等方面都是影響風機性能和產能效率最為核心的技術［1］。大型風能發電機組葉片反求再設計的流程是由葉片的反求測量、葉片的逆向重構、葉片反求再設計、葉片的反求設計分析等四部分組成［2］。由于風力發電機葉片要求精度較高，表面復雜，因此要對葉片進行多角度的測量，不同角度得到的數據要通過測量系統進行拼接整合［3］。根據測量的數據對葉片進行逆向重構和復雜葉片曲面的重新建模是反求設計的基礎操作，這個步驟進行之后才可以進行誤差分析［4］。CAD 模型重建是以獲取的葉片點云數據為輸入，以葉片的數字模型為輸出，它決定葉片CAD 模型的優劣［5］。文中提出一種大型風能發電機組葉片反求再設計的原理和方法，通過對大型風能發電機組葉片反求測量、大型風能發電機組葉片逆向CAD 建模、大型風能發電機組葉片精度分析與尺寸還原等，對反求掃描葉片模型進行剖析，尋找幾何特征，探索制約葉片形狀的基本因素，確定葉片截面參數計算公式，利用所開發的葉片翼型自動生成系統，完成葉片的再設計。葉片反求再設計，特別是設計原理的反求，是對產品的再分析、再建模的過程，通過誤差分析與對比，形成新的設計方法和產品，是已有設計的設計。

1 大型風能發電機組葉片反求設計

1.1 葉片反求測量

根據大型葉片的特點，采用非接觸光學測量與照相測量混合系統和測量方法，對大型風能發電機組葉片進行反求測量。相較于其他的測量方法，對于大型葉片的三維測量，作者研究的方法集合了高清攝影技術和光柵掃描儀兩種測量方法的優點，具有較高的精度，較高的效率［6］。風能發電機的葉片是大尺寸復雜零件，含有大量的曲面結構，利用一張曲面來測量并獲得需要的數據點是不現實的［7］。文中將葉片進行分區分片然后分別擬合不同的曲面片，最后再將片段進行拼合。葉片測量區域的具體劃分如圖1 所示。

圖1 分段測量法

因為葉片屬于大型零件，在進行掃描的時候，要多次掃描采集數據。在實際測量的時候，要將掃描儀沿風力發電機葉片的最長尺寸方向漸漸移動掃描，如圖2 所示。

圖2 大尺寸葉片測量

1.2 葉片逆向CAD 建模

在對兩幅照片所采集的數據點進行拼合的時候，坐標的對齊是指每幅圖片中包含所有點云的重新定位。而視圖拼合指要將點云和坐標系對齊。對測量數據進行模型建立和對坐標系進行建模后，需要將其坐標統一，然后進行不同圖像間的拼接［8］，拼接后的葉片點云圖見圖3。

圖3 葉片點云數據

對于獲得的葉片截面點云數據，進行截面點云的光滑和排序，再用合適的參數進行插值，擬合出對應的截面曲線。能用來進行葉片曲面建模的是上述得到的精度和光順度都較高的曲線，得到的葉片特征曲線如圖4 所示。

圖4 獲取截面特征曲線

在確定了截面特征曲線后，在截面上每條特征曲線的端點采用3DB 樣條插值法獲得邊界曲線［9］。但是需要擬合的邊界光順度滿足要求，這樣就需要對曲面進行一些優化處理以滿足精度要求。文中采用的方法對于曲率法矢量變化極小的特征邊界也可以高效地實現提取。通過獲取的截面特征曲線，在滿足精度的要求下進行掃掠，即可形成葉片的實體CAD 模型，如圖5 所示。

圖5 葉片CAD 模型

1.3 葉片精度分析與尺寸還原

葉片尺寸還原是葉片原始設計參數的還原，設計參數的還原就是確定葉片的翼型也就是確定每個截面的葉片的三維坐標值及外形數據。應用文中開發的系統的創建截面功能按設計要求確定翼型之間距離，按距離提取葉片截面三維坐標值和外形數據。圖6 給出了還原葉片的坐標及外形幾何尺寸數據。

圖6 葉片數據還原

2 大型風能發電機組葉片翼型分析

葉片再設計是對葉片再分析、再建模的過程，是已有設計的設計。通過分析葉片翼型可以發現，葉片沿垂直葉展方向上的截面的形狀(或稱翼型) 是相似的，不同半徑下其翼型的主要區別就在于各截面上的翼型大小不同、翼型在不同截面沿著某一點旋轉了不同的角度以及厚弦比不同，需要確定r (葉片長度)、弦長cr(翼型大小)、β (旋轉角度)、t (厚弦比) 這些值，便可以設計出任何形狀的葉片。

葉片再設計的難點在于如何將不同r 下對應的翼型精確地繪制出來，所要解決的問題是要確定翼型數據在r 下所對應的坐標值發生怎樣的變化。從對葉片幾何參數所研究的結果看，影響翼型數據點的因素主要是弦長cr、扭角β 以及厚弦比t，如圖7 所示。

圖7 葉片結構外形影響因素

下面通過計算和推導探討cr(弦長)、β (扭角)以及t (厚弦比) 和翼型的關系。

假設所要設計翼型上的一個點為i，i 距離旋轉中心的距離為r。i 在X、Y、Z 軸上的坐標分別為Xi、Yi、Zi。在點i 處，弦長、扭角、厚弦比分別為cr、β、t。X0、Y0、0 分別是此點在單位翼型數據庫中對應的數據。那么：

(1) 弦長cr與翼型數據值的關系

Xi、Yi、Zi在X、Y、Z 軸上的坐標與翼型數據庫中對應點之間的關系為：

由對應關系可以得到翼型的變化，情況如圖8 所示。

圖8 弦長對翼型數據的影響

(2) 扭角β 與翼型數據值的關系

翼型的旋轉變化并不像圖9 (a) 那樣繞著坐標零點旋轉，其旋轉的方式是如同圖9 (b) 所示，旋轉中心到葉片頂端的距離與整個葉片長度成一定比例，此比例根據不同的翼型有所區別，一般在弦長的1/4 處，這樣可以有效地降低葉片受到空氣作用所產生的扭矩。

圖9 翼型旋轉的方式

綜上所述，有兩種方法可以處理在計算過程中旋轉翼型的情況：按圖9 (a) 計算和按圖9 (b) 計算。后一種方法雖然直接，但由于單位翼型數據并不是以旋轉點為旋轉中心，另外，此方法牽涉到4 個象限的計算，程序計算較為復雜，所以，旋轉計算通常都是采用先將數據點沿零件旋轉然后再平移的方法。具體的計算方法為：

其中：τ 為旋轉中心到頂端的距離/弦長cr，由此得到的翼型變化情況如圖10 所示。

圖10 扭角對翼型數據的影響

(3) 厚弦比增長率t 與翼型數據值的關系

厚弦比的改變主要是使翼型在垂直弦長方向的變化，也就是翼型數據點的Y 坐標要相應地乘上一個比例，即厚弦比增長率t。但是一定要在旋轉變化之前先將厚弦比的變化進行計算好，不然變化的過程就會附加坐標的變化在其中，使翼型發生畸變，如圖11 所示。

圖11 厚弦比對翼型數據的影響

3 大型風能發電機組再設計葉片性能分析及驗證

將反求設計得到的功率為750 kW 的風能發電機葉片的設計模型和實物相比較，利用GHBladed 對葉片的功能參數等進行進一步的分析驗證，比較反求設計的葉片的精確度與正確度。

3.1 葉片對比條件

利用GH 來模擬湍流風的風速平均為14 m/s，橫向和徑向湍流強度分別為13.35%、17.08%。垂直湍流強度為9.45%，生成輪轂處的湍流風如圖12 所示。

圖12 輪轂處湍流風速

把反求掃描實際葉形、理論葉形和再設計修正葉形這3 種翼型數據輸入到GH Bladed 中，可得到3 種相應的葉形，如圖13 所示。

圖13 GH Bladed 葉片模型

3.2 葉片對應的性能及表現

下面是一組針對750 kW 實際葉片掃描模型、理論計算模型和再設計修正模型的葉片參數對比分析，主要表現葉片弦長和扭角走勢及對比分析，如圖14、15 所示。

圖14 弦長走勢

圖15 扭角走勢

從圖中可以看出：理論模型的弦長要比修正和實際模型的弦長都要小，修正后的弦長比實際模型要小。這說明在實際葉片設計中弦長增大較大。實際的750 kW 葉片弦長近似接近直線，與修正后的葉形比較接近，并且在葉根處減少了較多的材料，修正后的葉形質量將比其他兩種都要輕。理論模型與修正模型的扭角變化趨勢相同，而比實際葉形增長速度緩慢，即前端扭角較小、根部扭角基本相符，說明實際葉片設計中為了較多地利用葉片前端產生力矩，減小了葉片前端的扭角。

3.3 葉片對比結論

(1) 實際葉形能夠產生的電能較設計修正葉形大，設計修正葉形較理論葉形產出電能大，理論葉形接近設計功率臨界位置，與設計目的相符;

(2) 在達到設計功率要求的前提下，低風速下設計修正葉形與實際葉形的各種載荷表現非常接近，風速升高時，設計修正葉形性能低于實際葉形，而理論葉形與修正葉形表現很接近;

(3) 沿葉展方向上看，設計修正葉片各種性能都圍繞實際葉片變化，但有一定波動值，不如實際葉片的變化較為平穩，主要可能是各截面翼型旋轉軸線的選擇上需要進一步優化。

通過上面的分析，葉片再設計結果基本達到設計要求，與實際掃描葉片在氣動載荷綜合性能上相差較小。

4 結束語

通過對大型風能發電機組葉片反求再設計研究，對葉片反求測量掃描、葉片逆向CAD 建模、尺寸還原與精度分析，針對反求葉片模型進行剖析，尋找幾何特征，在確定葉片截面參數計算公式及現有掃描點云數據重構的三維葉片模型特點后，提出一種大型風能發電機組葉片反求再設計的原理和方法，開發了一種可以通過輸入和控制參數自動生成葉片翼型的系統，完成了葉片再設計。設計結果表明達到了設計要求。

［1］HERBERT G M J，INIYAN S，SREEVALSAN E，et al.A Review of Wind Energy Technologies［J］.Renewable ＆Sustainable Energy Reviews，2007，11(6) ：1117 -1145.

［2］WOODS Teresa J，VIGNOLA Joseph F，JUDGE John A.Surface-normal Vector Velocity Measurement Using a Fiveaxis Contour Scanning Laser Vibrometry System［J］.The International Society for Optical Engineering，2007，4(7) ：12 -17.

［3］WENLEI S，QING T，KANG J，et al.Establishing Largescale Wind Turbine Blade CAD Model Based on Reverse Engineering［C］//Proceedings of the 19th International Conference on Automation and Computing：Future Energy and Automation，2013：208 -211.

［4］汪俊，周來水，安魯陵.具有復雜輪廓特征的實體模型重建方法［J］.中國機械工程，2006，17(11) ：1157 -1161.

［5］程曉亮.基于雙目立體視覺的三維重構研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.

［6］張卡，張道俊，盛業華，等.三維坐標轉換的兩種方法及其比較研究［J］.數學的實踐與認識，2008，38(23) ：121-128.

［7］吳曉峰，張國雄.現代大尺寸空間測量方法［J］.新視點，2006(10) ：68 -70.

［8］曾懷恩，黃聲享.三維坐標轉換參數求解的一種直接搜索法［J］.武漢大學學報：信息科學版，2008，33(11) ：1118 -1121.

［9］柯映林，陳曦.基于局部特征匹配的對稱面提取算法［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，2005，17(6) ：1191-1195.