风力机叶片设计和稳定性分析

发布时间：2020-06-20 02:35

【摘要】： 叶片是风力机的核心部件，如果它发生不稳定的自激振动，那么叶片的颤振将会影响风力机的正常运行。本文应用Schmitz理论设计了—600kW水平轴风力机的叶片，同时应用叶片基元法理论分析了该风机的气动性能。又从质量、刚度、气动力的角度出发，研究该风力机叶片振动的动态响应。 本文把风力机叶片简化为悬臂梁，对梁截面的二维叶型建模，完整推导了二维叶型的线性运动微分方程和流／构耦合条件下系统的气动刚度和气动阻尼，此时气动载荷与结构的位移矢量以及速度矢量是相互耦合的，再利用系统的特征值来判断叶片颤振是否发生，从而获得风机的稳定工作范围。本文采用了《Niedriggeschwindigkeitsprofile》叶型书的实验数据，对上述的600kW水平轴风力机叶片进行了计算和讨论。其次，通过用龙格—库塔的数值方法对微分方程进行迭代，所求出的系统各振动量变化规律和上述算例的特征值对比，结果是一致的。这就验证了建模的合理性和方程推导的正确性。最后，又对影响叶片颤振的结构动力参数进行了分析。
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：TK83
【图文】：

了日益增长的能源需求，又不会危害环境带来全球气候灾难，已经被认为是最接近于实现商用的主要动力提供者。在风能利用的各种形式中，水平轴风力机是被实践证明最有效的转换装置(如图2.1所示)，目前已占全部风力发电装置的97%以上，在世界各地得到了广泛应用。图2.1中等尺寸的德国风力机风力机的关键部件是叶片，在投入制造前首先应该进行气动设计，决定风轮直径、叶片数、叶片各剖面弦长、厚度、扭角分布及选取剖面翼型。在确定出设计叶尖速度比、空气动力外形和攻角之后，利用Sehmltz理论就可以设计出所需的风力机参数。Scbmitz理论考虑了下游由于风机的旋转尾迹而产生的漩涡损失，该理论忽略了叶型损失和气流绕叶尖的损失。

图2.11风机叶片弦长随半径的变化曲线对于给定的设计叶尖速度比，从图2.11可以看出从叶尖到轮毅，弦长是增加的，同时叶型将由薄变厚，如图2.12所示。在实际叶片的设计当中，真实的叶片(如图2.12所示)和根据Schmitz理论设计出来的模型还是有区别的，特别是靠近轮毅的部位，考虑到叶根处剖面对风轮输出功率贡献不大，故可适当减小此处剖面的弦长和扭角，以降低叶片重量和成型难度。生产商鉴于成本问题，也可能采用其它工艺和造价相对较低的叶片设计方法，不过风机的效率将明显低于Sehnlltz理论的设计结果。结构强度和生产当中的实际问题是叶片设计需考虑的重点。

【引证文献】

相关期刊论文 前3条

1 乔印虎;张春燕;;风力发电机叶片振动失效机理分析[J];机械工程师;2007年04期

2 于化楠;褚福磊;刘莹;;风力机气动弹性稳定性问题综述[J];机械设计;2008年06期

3 汪泉;陈进;程江涛;陆群峰;;风力机叶片二元翼段静气动弹性机理[J];沈阳工业大学学报;2012年06期

相关博士学位论文 前1条

1 葛俊旭;兆瓦级垂直轴风力发电机组的关键技术研究[D];浙江大学;2010年

相关硕士学位论文 前10条

1 崔文篆;小型水平轴被动调速风力机设计与研究[D];湘潭大学;2010年

2 乔玉军;基于Bladed和Numeca的Tjaereborg风力机分析与偏航计算[D];华北电力大学（北京）;2011年

3 刘雄辉;大型风力机玻璃钢叶片结构设计与数值分析方法研究[D];广东工业大学;2011年

4 曹慧敏;风能资源评估系统的研究[D];西北工业大学;2006年

5 乔印虎;风力发电机叶片振动研究与保护[D];新疆大学;2006年

6 陈园;风力发电机叶片三维建模及有限元动力学分析[D];西安理工大学;2008年

7 刘勇;风力发电机气动性能数值模拟[D];哈尔滨工业大学;2007年

8 尹文明;大型风力机形状记忆合金复合材料叶片的结构动力学分析[D];山东科技大学;2008年

9 杨伟波;小型磁悬浮低风速风力发电机关键技术研究[D];武汉理工大学;2009年

10 韦丽珍;基于ANSYS风力机叶片的载荷研究[D];内蒙古工业大学;2009年

本文编号：2721729