水平轴风力机叶片多目标优化设计及结构动力学分析

发布时间：2020-04-10 15:36

【摘要】： 本文针对国家科技支撑计划子课题“风电机组叶片气动优化设计和结构动力分析”,探讨了能满足风力机叶片气动、结构和稳定性要求的多目标优化方法。通过对不同展向上翼型的相对厚度、弦长等外形参数的优化计算,得到了能使功率利用系数Cp值达到预定目标的气动优化设计结果;考虑结构和制造工艺性要求,修正了气动外形。并对优化后的叶片进行了载荷计算,使叶根载荷得到了降低,并对其进行强度分析。论文的主要内容如下: 综合考虑叶片气动性能和载荷情况,即除要保证风力机叶片有良好的气动外形之外,还要兼顾稳定性和结构强度等性能指标,对叶片的整体性能进行多目标优化。叶片的优化设计,是以叶片各展向截面的相对厚度、弦长和扭角为设计变量,建立了多目标优化的数学模型。基于遗传算法思想并利用MATLAB软件,实现了叶片的多目标优化设计。同时,采用该方法对1.5MW风力机叶片进行了优化设计,并与已运行的某商用机型做出对比,以验证该方法的有效性。 在FLUENT软件的GAMBIT前处理模块中建立了叶片的三维实体模型,并将建好的风力机叶片模型导入ANSYS软件中进行了模态分析,针对玻璃钢/复合材料的特点进行单元网格划分、施加一定的约束,得到前十阶振型的频率和振型。同时,研究了科里奥利力对叶片模态分析的影响。 基于GL坐标系,计算了风力机稳态下的气动力、重力、离心力;以1.5MW水平轴风力机的叶片为例,借助于Bladed for Windows软件,计算了叶片上关键截面处的载荷。并找出根部的最大载荷,在ANSYS软件中进行有限元分析,得出此载荷作用下的变形图及应力云图。安全系数确定后,对其进行静强度校核。 根据IEC61400-1标准,拟定了1.5MW水平轴风力机运行的各种工况,分别计算出各工况下的载荷,在Bladed for Windows软件的后处理模块中提取出最大载荷及其所对应的工况,可据此对风力机叶片的强度进行校核。
【图文】：

图 2-1 通过风轮的流场Fig 2-1 Flow diagram of a wind rotor论得桨平面上受力T 为：)2 V(2-3)mVA1= ρ， A为桨平面的面积。理得：( )222mU V(2-4)利方程可以得到：22V(2-5)干扰因子UVa1= 1 ，可得功率系数为：( )21

图 2-2 叶片微段上的受力Fig 2-2 The forces on the micro-unit of blade升力和阻力系数LC 和DC 由实验获得，，在考虑了锥度角ψ 后，得到叶片基元上的推力和扭矩，然后沿叶片展向积分，可以得数。力和扭矩分别为：ψρcos2'drCnΩ(2-7ψρcos2drrCtΩ(2-8'nC 和tC ：考虑了锥度角ψ 后的叶素升力系数和阻力系数B ：叶片数C ：剖面弦长
【学位授予单位】：汕头大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TK83

【引证文献】

相关期刊论文 前3条

1 冯消冰;黄海;王伟;;基于遗传算法的大型风机复合材料叶片根部强度优化设计[J];复合材料学报;2012年05期

2 乔印虎;韩江;刘春辉;陈杰平;;智能夹层风力机叶片振动主动控制研究[J];太阳能学报;2012年02期

3 何玉林;刘军;董明洪;;基于BEM-GDW综合理论对风力机叶片优化[J];现代科学仪器;2011年04期

相关博士学位论文 前1条

1 李俊;大型风电机组整机及关键部件仿真分析与优化设计研究[D];重庆大学;2011年

相关硕士学位论文 前10条

1 姚加桂;水平轴风力机疲劳特性动力学分析[D];华北电力大学（北京）;2011年

2 张慧珍;1.5MW水平轴风力机叶片结构性能分析[D];西华大学;2011年

3 张勇;大型水平轴风力机伞形风轮的静动态特性分析与结构仿生研究[D];华南理工大学;2011年

4 吴殿法;基于参数化建模的G4-73风机叶轮的优化研究[D];华北电力大学;2011年

5 周振凯;水平轴风力机叶片优化设计[D];重庆大学;2011年

6 徐文宇;按订单生产计划与排程的优化模型[D];南昌大学;2011年

7 谢园奇;不同翼型风电机组风轮叶片的气动设计与模拟实验[D];华北电力大学（北京）;2009年

8 龚佳兴;基于弯扭耦合的仿生自适应风力机叶片的设计与评估[D];华南理工大学;2010年

9 李孝元;水平轴风力机动态载荷响应分析[D];汕头大学;2010年

10 任延中;兆瓦级风力机叶片挥舞摆振特性研究[D];华北电力大学;2012年

本文编号：2622403