大型风机叶片气动性能计算与结构设计研究

发布时间：2020-05-06 18:14

【摘要】： 近年来化石能源危机,环境危机使得可再生能源得到空前发展。风能作为环保型,无穷无尽之能源,在20世纪80年代后进入了发展的黄金时期。中国作为能源消费大国,近年来风电得到国家层面上的大力支持从而得到快速发展。但起步较晚使中国风电技术与风电发达国家差距很大,MW级以上风电设备设计技术基本依赖进口,作为风电机组关键部件之一的叶片尤其如此。本文在国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAA01A09)支持下,根据现有进口叶片,着重对大型水平轴风机叶片进行气动性能计算和结构设计进行了研究,取得如下成果: (1)风轮气动性能主要包括功率、轴力、转矩以及其对应的功率系数、轴力系数和转矩系数,本文采用叶素动量理论,结合前人研究成果,建立了较完善的风轮叶片气动性能计算模型,考虑风轮实度(叶片数)、安装角、锥角、倾角以及叶片宽度、厚度,风轮偏航等因素,采用迭代法计算叶素诱导因子,编制matlab计算程序,分析了这些因素对风轮气动性能的影响。并在整个叶片翼展方向,对轴向诱导因子和周向诱导因子以及叶素功率分布进行了详细分析。分析结果表明,风轮实度、安装角对功率影响显著,锥角和倾角将会导致风轮各项气动性能下降。叶片宽度和厚度对风轮气动性能影响不大。 (2)完成了一整套利用有限元软件对大型叶片进行校核分析的方法,摸索出了具有复杂气动外形和内部铺层结构的复合材料叶片建模的有效方法。并直接利用软件对叶片各截面、各方向刚度进行近似计算,与理论值吻合良好,表明该方法可行、有效。与理论法相比,该方法简便易行,特别适合非规则截面复合材料构件刚度的计算。对叶片动力行为模态进行了理论上的探讨,推导出了叶片自振频率的估算公式,模态分析表明叶片第一阶模态发生在挥舞方向,第二阶发生在摆振方向,高阶模态逐渐复杂化,呈现出混合振型形式。应变的校核分析表明,叶片主要在叶根和最大弦长处有较大应变值。在稳定性分析中,发现叶尖区域是叶片可能发生失稳的一部分。 (3)对叶片设计的关键之一,结构铺层设计进行了研究,建立了大型叶片初步结构设计的理论方法。叶片采用分段原则,以叶片挥舞方向极限弯矩为设计载荷,综合运用前人总结的经验公式,以及经典层合板理论和Euler-Bernoulli梁理论,在外形不变的前提下,对现有750KW叶片在结构铺层上进行重新设计研究。研究表明,理论设计不是最终设计,前面的有限元校核分析,修正将起到十分重要的作用。通过对比分析,本文对750KW叶片的结构铺层设计比较合理,在叶片重量、挥舞方向刚度、叶尖挠度均占优势,仅在稳定性方面不如原有叶片。 (4)在主梁上用碳纤维材料替代玻璃纤维作为叶片主要承载构件的增强材料,研究了叶片弯扭耦合设计的可行性。首先对叶片弯扭设计进行了参数化研究,建立控制弯扭耦合的主要参数α,从理论和数值分析两个方面估算α可能的取值范围。进行弯扭耦合设计可以从几个方面进行,比如几何外形上,或者将材料主轴与主受力方向成一角度。本文采用后者,在主梁将碳纤维主轴与主受力方向成0°、10°、15°和20°角。对弯扭耦合设计后的叶片整体性能进行了分析,并与本文新设计的叶片结构进行了对比分析,研究表明,运用弯扭耦合设计理念,叶片结构性能在几乎所有方面都有了提高,这表明弯扭耦合的巨大意义,同时也显示了碳纤维运用到叶片结构设计中的潜力。
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风电,总容量,世界,国家

Fig.1.2GlobalannualinstalledeaPaeity1996一2007据全球风能理事会发布的信息，2007年是世界风电产业蓬勃发展的一年，新增装机容量达20GW，t匕2006年多SGW，增幅达到33%。如图1.3所示，德国、美国、西班牙、印度、中国是装机总容量前5位国家，而2007年全球新增风电装机容量排名前五位的国家是:美国(5244MW)、西班牙(3522Mw)、中国(3449MW)、印度(1730MW)、德国(1667MW)。在全球风电产业持续快速发展过程中，欧洲风电一直处于领先地位。按照欧洲前几年制定的发展规划，风电装机容量在在2010年要达到4000万KW，而到2005年底，欧洲实际装机容量已经达到4090.4万KW，提前5年实现了2010年装机目标。根据欧洲风能

叶片设计,参数,叶片

叶片设计是一个大的工程，，从大的方面来讲叶片设计包含两个部分[s8l:气动设计和结构设计。这里面涉及到空气动力学、结构力学、结构动力学、材料力学、材料工程以及成型工艺等学科。图1.5是气动和结构设计所需要的参数。蕴蕴蕴蕴蕴蕴蕴蕴蕴蕴蕴蕴蕴蕴蕴蕴蕴簇鑫鑫扮扮扮扮扮扮扮篡麒蘸鸯、、、、赢赢蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸 lllllll瓤蓄瞬瓣i瓣黯鑫慧癫缨肇鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫图1.5叶片设计所需参数 Fig.1.5ParametersforBladeDesign1.3.2.1叶片用材料材料的选择对于叶片设计至关重要。在过去的20多年里，随着风机叶片朝着轻量化，大型化发展，叶片用材料也经历了从钢材，铝到复合材料的过程。叶片越轻，则惯性力越小，而叶片在其寿命期间，由惯性力产生的疲劳载荷将是叶
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TK83

【引证文献】