基于Isight和ParetoExplorer的风力机叶片多目标气动优化设计技术研究

刘丹 李磊

摘 要：风力机叶片气动设计是一个非常复杂的工程，涉及到气动性能、气动载荷、叶片实度等多目标耦合的特点，各目标的权重具有不确定性，气动性能直接决定了叶片的气动效率，气动载荷决定了叶片的受力大小，而叶片实度则决定了叶片结构调整的空间，各个目标之间相互影响，原有的气动设计或者只是单纯的对叶片气动性能寻优，或者气动性能和气动载荷给予确定的权重（例如各0.5的权重），最终设计的结果具有很大的局限性。因此，如何实现风力机叶片气动设计的总体优化，提高气动设计质量，是风力机叶片研究和设计人员非常关心的问题。

关键词：风力机翼型;多目标优化;气动优化;HMGE ParetoExplorer

引言

风力机叶片气动设计是一个非常复杂的工程，涉及到气动性能、气动载荷、叶片实度等多目标耦合的特点，各目标的权重具有不确定性，气动性能直接决定了叶片的气动效率，气动载荷决定了叶片的受力大小，而叶片实度则决定了叶片结构调整的空间，各个目标之间相互影响，原有的气动设计或者只是单纯的对叶片气动性能寻优，或者气动性能和气动载荷给予确定的权重（例如各0.5的权重），最终设计的结果具有很大的局限性。因此，如何实现风力机叶片气动设计的总体优化，提高气动设计质量，是风力机叶片研究和设计人员非常关心的问题。

1  ParetoExplorer多目标梯度优化算法

2  仿真优化流程的建立

总体设计流程为由MATLAB进行叶片外形的造型，导入bladed功率系数计算文件，通过bladed进行Cp计算，在调用Excel计算控制参数，集成到bladed功率曲线计算文件、静载计算文件中，由bladed进行功率曲线计算，最终通过自编程序对年发电量进行计算，最终获得每个样本的最大功率系数、最大载荷、以及年发电量的数据，通过iSIGHT集成的PE优化算法进行寻优。通过Isight实现了自动调用MATLAB、BLADED进行样本生成、性能计算、优化搜索等，最终获得优化设计的结果。

计算程序采用bladed风力机叶片专用计算软件。通过Isight读入bladed计算文件，修改对应的弦长及扭角分布，然后进行后台运算。

造型程序通过编程实现对叶片外形（弦长和扭角）的模拟，并且进行必要的修正，如叶根造型、最大弦长位置处的修正、叶尖修正等等，最终获得叶片样本的弦长及扭角分布。

3  多目标优化问题定义

风力机涡轮翼型优化模型的建立是进行优化设计的关键，主要进行优化数学模型的建立、设计变量的确立，目标函数的选取和优化方法的选取等工作。

3.1 优化设计变量的选取

风力机涡轮翼型设计参数众多，优化设计变量的选取主要从以下两个方面考虑：一是选取的参数对翼型气动性能影响显著;二是选取的参数能调整叶型形状，从而能改变翼型強度。采用5阶幂级数能够很好地集成风力机叶片的弦长与扭角分布情况：

3.2 目标函数的选取

在传统的归一化方法中，需要将目标函数归一化为单目标优化问题。在本问题中，我们通过ParetoExplorer多目标优化算法，直接求解Pareto解，不设置任何权重。目标函数有四个：

（1）最大化风能利用系数（Cpmax）

（2）最小化叶根挥舞弯矩（My）

（3）最大化年发电量（Energy）

（4）最大化叶片实度（Solidity）

4  算例与分析

经过优化运行之后，获得了pareto前沿，如下图所示，在前沿上的点（蓝色的点）表示所有可能的最优解（即能保证某一个目标优化不会引起其他目标下降的最优边界），设计人员可以根据实际情况和各指标的重要程度，在pareto前沿选择相应的方案。

图中红色交叉点即为暂定的气动设计结果，具体性能如下：

如果气动设计结果确定后，在后期的结构设计中发现某些未考虑到的不利因素（例如载荷过大，净空无法满足等），以往则需要重新调整程序进行新一轮的计算，而在如今的优化平台上，只需要根据实际需要，另选取pareto点即可（例如，需要降低叶根挥舞弯矩，则可以选择在红色交叉点左侧的pareto点），从而可以有效的提高叶片设计的效率。

5  结论

通过在iSIGHT软件上集成bladed专业风力机性能计算软件、数值求解软件Matlab，建立了针对风力机叶片的多目标优化设计平台;

（1）优化平台针对具体的设计参数要求，通过改变叶片初始的弦长扭角分布的输入参数，进行bladed气动性能计算，通过优化迭代，得到了多个符合要求的设计结果，根据实际需要，选取适当的最优点;

（2）该优化平台具有很强的扩展性，可以在日后逐步添加进叶片结构设计、叶片疲劳载荷计算等等多个学科的耦合计算，最终形成完善的叶片优化设计平台。

作者简介：

刘丹（1979-）男，汉族，河北邢台人，工程师，研究生，工学硕士，研究方向：电力营销管理，电力形势分析与预测，售电交易研究，新能源装备技术。

李磊（1979-）男，汉族，陕西西安人，河北科技工程职业技术大学，副教授，本科，硕士，研究方向：机械工程方面。