(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111341266.9 (22)申请日 2021.11.12 (71)申请人 华能华家岭风力发电有限公司 地址 743305 甘肃省定西市通渭县华家岭 乡老站村 申请人 中国华能集团清洁能源技 术研究院 有限公司 (72)发明人 万芳　祝金涛　曹朔　唐云　童彤　 任鑫　曾谁飞　吴昊　武青　 朱俊杰　吕亮　 (74)专利代理 机构 北京清亦华知识产权代理事 务所(普通 合伙) 11201 代理人 赵迪 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01)G06F 30/27(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 113/06(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于Wilson模型和遗传算法的风机叶片优 化设计方法及系统 (57)摘要 本申请提出了一种基于Wilson模型和遗传 算法的风机叶片优化设计方法及系统， 该方法包 括： 根据风场的特征模型计算风机的额定风速, 并根据额定风速和额定输出功率反算出风轮直 径； 对初始叶片翼型模型进行空气动力分析， 根 据升阻比随攻角的变化曲线确定叶片翼型的攻 角； 将叶片沿展向等分成预设数量个叶素， 并通 过Wilson模型迭代计算出每个 叶素的轴向诱导 系数和切向诱导系数； 根据轴向和切向诱导系数 分别计算每个叶素的扭角和弦长； 通过遗传算法 根据每个扭角依次重新优化每个叶素的弦长， 并 拟合每个叶素的翼面和外形参数。 该方法通过 Wilson模型和遗传算法对叶片进行联合优化设 计， 有效提高叶片 的气动性能， 提高了风机的风 能利用率。 权利要求书3页 说明书13页 附图2页 CN 114169088 A 2022.03.11 CN 114169088 A 1.一种基于Wilson模型和遗传算法的风机叶片优化设计方法， 其特征在于， 包括以下 步骤： 根据风机所处风场的特征模型计算所述风机的额定风速,并根据 所述额定风速和所述 风机的额定 输出功率反算出风轮直径； 确定待优化的叶片翼型参数， 建立初始叶片翼型模型， 并对所述初始叶片翼型模型进 行空气动力分析， 根据所述初始叶片翼型的升阻比随攻角的变化曲线确定叶片翼型的攻 角； 将所述初始叶片翼型模型沿展向等分成预设数量个叶素， 并通过Wilson模型迭代计算 出每个所述叶素的轴向诱 导系数和 切向诱导系数； 根据每个所述叶素的轴向诱导系数和切向诱导系数分别计算每个所述叶素的扭角和 弦长； 通过遗传算法根据每个所述扭角依次重新优化每个所述叶素的弦长， 并拟合每个所述 叶素的翼面和外形参数， 以完成所述 风机的叶片翼型设计和叶片外形设计。 2.根据权利 要求1所述的方法， 其特征在于， 所述通过Wilson模型迭代计算出每个所述 叶素的轴向诱 导系数和 切向诱导系数， 包括： 确定所述轴向诱 导系数和所述切向诱 导系数的初始值； 设置风能利用系数为目标函数， 根据叶尖损失系数推导出能量方程作为约束条件； 基于序列二 次规划法编写迭代算法， 按照所述迭代算法对所述轴向诱导系数和所述切 向诱导系数进行迭代， 直至获得 所述轴向诱 导系数和所述切向诱 导系数的最优解。 3.根据权利要求2所述的方法， 其特 征在于， 通过以下公式计算所述叶尖损失系数: 其中， 其中， 是入流角， R是风轮半径， r是截面至回转中心的长度， N是风轮转速； 所述根据叶尖损失系数推导出能量方程， 包括： 将所述叶尖损失系数代入格劳特 Glauert弦长公式推导出 所述能量方程， 所述能量方程 通过以下公式表示： a(1‑aF)＝b(1+b)λ2 其中， a是轴向诱导系数， b是切向诱导系数， F是风轮所受压力， λ是叶片不同截面处的 速比。 4.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述根据风机所处风场的特征模型计算所 述风机的额定风速， 包括： 通过以下公式表示所述 风场的特 征模型： 其中， K是形状参数， C是尺寸 参数， V是设计风速； 根据所述 风场的特 征模型确定所述 风机的额定 输出功率的表达式； 将所述风机的额定 输出功率的表达式对风速进行一阶求 导获得所述风机的额定风速 。权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114169088 A 25.根据权利要求4所述的方法， 其特征在于， 所述根据所述额定风速和所述风机的额定 输出功率反算出风轮直径， 包括： 通过以下公式确定所述 风机的输出功率： 其中， P是风机输出功率， V 是风机额定风速， D是风轮直径， Cp是风能利用系数， η1是风机 传动效率， η2是发电机效率； 将预设的所述风机的额定输出功率和所述额定风速， 代入所述风机的输出功率的计算 公式反算出风轮直径。 6.根据权利要求3所述的方法， 其特 征在于， 通过以下公式计算每 个所述叶素的扭角： 其中， θ 是 扭角， 是入流角， α 是攻角 通过以下公式计算每 个所述叶素的弦长： 其中， B是叶素 数量， CL是升力系数。 7.一种基于W ilson模型和遗传算法的风机叶片优化设计系统， 其特 征在于， 包括： 第一计算模块， 用于根据风机所处风场的特征模型计算所述风机的额定风速,并根据 所述额定风速和所述 风机的额定 输出功率反算出风轮直径； 第一确定模块， 用于确定待优化的叶片翼型参数， 建立初始叶片翼型模型， 并对所述初 始叶片翼型模型进行 空气动力分析， 根据所述初始叶片翼型的升阻比随攻角的变化曲线确 定叶片翼型的攻角； 第二计算模块， 用于将所述初始叶片翼型模型沿展向等分成预设数量个叶素， 并通过 Wilson模型迭代计算出每 个所述叶素的轴向诱 导系数和 切向诱导系数； 第三计算模块， 用于根据每个所述叶素的轴向诱导系数和切向诱导系数分别计算每个 所述叶素的扭角和弦长； 联合优化模块， 用于通过遗传算法根据每个所述扭角依次重新优化每个所述叶素的弦 长， 并拟合每个所述叶素 的翼面和外形参数， 以完成所述风机的叶片翼型设计和叶片外形 设计。 8.根据权利要求7 所述的系统， 其特 征在于， 所述第二计算模块具体用于： 确定所述轴向诱 导系数和所述切向诱 导系数的初始值； 设置风能利用系数为目标函数， 根据叶尖损失系数推导出能量方程作为约束条件； 基于序列二 次规划法编写迭代算法， 按照所述迭代算法对所述轴向诱导系数和所述切 向诱导系数进行迭代， 直至获得 所述轴向诱 导系数和所述切向诱 导系数的最优解。 9.根据权利要求8所述的系统， 其特 征在于， 所述第一计算模块具体用于： 通过以下公式表示所述 风场的特 征模型：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114169088 A 3