Efficient structural optimisation of a 20 MW wind turbine blade
Efficient structural optimisation of a 20 MW wind turbine blade
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20 MW 风力发电机叶片的高效结构优化
DOI：
10.1088/1742-6596/1618/4/042025
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发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Scott S
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Scott S
本文通过 20 MW 风力发电机叶片的结构设计，提出了一系列新颖的风力发电机分析和优化方法。这些方法集成在软件气动弹性涡轮优化方法 (ATOM) 中。一个关键特征是新颖的、计算效率高的分段线性模型，用于运行快速设计负载情况模拟（比传统方法加速高达 16 倍）。此外，还提出了一套全面的现实设计约束，以确保结构可行性和气动弹性稳定性。为了演示这些方法，采用了基于连续梯度的优化过程，依赖于移动渐近线的全局收敛方法 (GCMMA)。该过程首先进行空气动力学优化以生成扭曲分布，然后进行迭代循环，在此期间独立执行负载包络更新和“冻结负载”叶片结构优化。因此考虑气动弹性载荷，但不直接对其进行优化。本研究研究了带有混合碳玻璃翼梁帽的 20 MW 风力涡轮机叶片的结构设计。优化后的 122 m 叶片质量为 83,622 kg，增加后掠量后重量降至 81,396 kg (-2.66%)。发现 GCMMA 在每个结构优化步骤都成功收敛。相比之下，迭代循环被观察到振荡，尽管在很小的范围内。最后，结果表明，如果考虑引起气动弹性耦合的设计变量，则可能无法保证气动弹性叶片设计的多步优化方法的收敛。
This paper presents, through the structural design of a 20 MW wind turbine blade, a selection of novel analysis and optimisation methods for wind turbines. These methods are integrated in the software—Aeroelastic Turbine Optimisation Methods (ATOM). A key feature is the novel, computationally-efficient piecewise linear model for running rapid design load case simulations (up to 16 times speed-up over conventional methods). Further, a comprehensive set of realistic design constraints is also proposed to ensure structural feasibility and aeroelastic stability. To demonstrate these methods, a sequential gradient-based optimisation process is employed, relying on the globally convergent method of moving asymptotes (GCMMA). The process begins with an aerodynamic optimisation to generate twist distributions, followed by an iterative loop during which load envelope updates and'frozen-load'blade structural optimisations are performed independently. Aeroelastic loads are therefore considered, but are not directly optimised for. The present study investigates the structural design of a 20 MW wind turbine blade with hybrid carbon-glass spar caps. The optimised 122 m blade is found to have a mass of 83,622 kg, which decreases to 81,396 kg (-2.66%) with the addition of sweep. The GCMMA is found to converge successfully at each structural optimisation step. By contrast, the iterative loop is observed to oscillate, albeit within small bounds. Finally, results suggest that convergence of multi-step optimisation methods for aeroelastic blade design may not be guaranteed if design variables inducing aeroelastic couplings are considered.
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影响因子：
6.3
作者：
J. H. Sjølund;E. Lund
通讯作者：
J. H. Sjølund;E. Lund
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DOI：
--
发表时间：
2018
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通讯作者：
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2017
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--
影响因子：
--
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通讯作者：
Macquart T
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--
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Scott S
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