水平轴风力机叶片优化设计

发布时间：2020-07-28 08:10

【摘要】：面对迫在眉睫的能源和环境危机,以及风能开发成本的不断降低,各国都在进一步加大对风力发电的开发力度。风力机是风能利用的核心,而水平轴风力机是风力机主要形式。叶片作为水平轴风力机的关键部位,其外形决定了风力机风能的转换效率,因而叶片优化设计技术在风力机设计制造中占有相当重要的地位。另外,风力机运行过程中,叶片受到交变性和随机性载荷,必然会发生振动。叶片的振动特性对叶片的变形和寿命有重要影响,因此对其进行研究也是十分必要。 本文对水平轴风力叶片优化设计及振动特性开展了相关研究,论文的主要工作和结论如下: ①回顾了国内外水平轴风力机发展现状,考察了风力机叶片设计的研究现状,并对水平轴风力机叶片的优化设计研究现状进行了综述。 ②详细介绍了水平轴风力机空气动力学理论及Wilson叶片设计方法。 ③在片条理论基础上,考虑叶尖和轮毂损失、叶栅、失速及叶片三维效应等各种修正因素,建立了水平轴风力机气动性能计算模型。采用此模型对NREL 20kW风力机进行了气动性能计算,并对比NREL的计算结果,分析和检验了模型的正确性及实用性。 ④对定桨距风力机和变桨距风力机采用了两种不同的设计方法。对于定桨距风力机的叶片优化设计,本文将叶片设计攻角当着变量来处理,在不超过额定功率和基本运行风速的范围内,综合考虑叶片截面翼型气动特性,叶片截面之间的约束和风场风速的概率分布情况,以全年发电量最大为优化设计目标,建立了定桨距风力机关于叶片弦长和扭角的气动优化模型并利用遗传算法对20kW定桨距风力机叶片进行优化设计。通过对20kW定桨距3叶片风力机的气动性能评价以及与NREL的同功率风力机的对比表明,本文优化设计的风力机具有更好的气动性能。对于变桨距风力机的叶片优化设计,利用Wilson方法对叶片进行初步外形设计,然后以设计攻角为变量建立了以额定风速下功率系数最大为优化目标的1 MW变桨距风力机叶片优化模型并利用遗传算法进行了优化计算,对比Wilson方法设计的结果,本文优化的风力机具有更好的气动性能,表明本文设计方法的优越性。 ⑤基于叶片外形数据和翼型二维离散数据,经过复杂的矩阵坐标变换得到叶片各点的三维数据,利用三维建模软件UG进行了实体建模,为扭曲实体建模和其他复杂实体建模提供了新思路。 ⑥根据三维模型建立了叶片的有限元模型,利用ANSYS Workbench对叶片进行了模态分析并计算得到Campbell图。计算结果表明,叶片的主要振动形式是挥舞振动和摆振振动,叶片以额定转速运行时,不会发生共振现象。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TK83
【图文】：

累计装机容量由6100MW增长到158505MW，短短的13年翻了25倍，而且从近几年看，增长的势头一点不减，2009年全球风电新增装机容量38340MW，增速达到了31.8%，是近8年增长速度最快的一年，详见图1.1。全球金融危机的大背景下，风电产业仍然继续保持了快速发展的态势，再次证明，风电产业不但已经成为世界能源市场的重要力量，而且在拉动经济增长和创造就业方面，也发挥着越来越重要作用。据全球风能理事会估算，2009年全球风电装机容量总产值已达到450亿欧元，相关从业人员约有50万人[3]。图1.1 全球累计装机容量(MW)Fig1.1 Global cumulative installed capacity截止到2009年底，世界上有100多个国家开始发展风电，美国，中国，德国，西班牙和印度累计装机量列全球前五

我国风电发展状况

且规模小、技术落后，在激烈的市场竞争中风雨飘摇，风电场建设主要依赖技术进口。到2009年底，已经有三家企业进入世界10强，5家企业进入前十五名，华锐、金风和东方汽轮机已经成为全球风电界的著名品牌。由图1.3可以看出，2004年，自主品牌只占据中国风电市场份额25%，但2009年上升到87%，反映出我国风电制造业最近5年获得飞速发展。据统计，截止2009年底，在我国风电整机制造商累计市场份额中，排在前五位的分别是华锐、金风、东汽、Vestas和 Gamesa

【引证文献】

相关博士学位论文 前1条

1 陈广华;风力发电机组组合式叶片结构设计研究[D];华北电力大学;2013年

相关硕士学位论文 前2条

1 邢垒垒;随机风载下兆瓦级风电机组传动链系统动力学特性及有限元分析[D];兰州理工大学;2013年

2 闫磊;基于UG的风机叶片设计与分析[D];华北电力大学;2013年

本文编号：2772595