风剪切对风力机气动性能及疲劳寿命的研究

发布时间：2023-08-30 02:59

　　随着传统能源的不断枯竭以及世界环境污染问题日渐严重,风能作为可再生的清洁能源成为了人类探索新能源的方向。现今,大型、高效的风力机已经成为风电行业发展的主流趋势,风轮直径越大,影响风力机性能稳定的因素也越多。风剪切效应是由于地面摩擦导致来流在竖直方向分布不均,所以使得叶片展向方向的气动力不同,从而导致叶片展向载荷分布不均,对叶片结构产生较大影响。为了研究风剪切效应对大型风力机叶片气动性能和结构性能的影响,本文以美国可再生能源公布的NREL5MW风力机为研究对象,采用数值模拟的方法进行研究,主要内容如下:首先,研究了风剪切效应对风力机叶片气动性能的影响。使用SolidWorks软件对5MW风力机叶片进行了气动外形以及内外流场域的建模。通过加载UDF函数给定剪切来流速度,采用k-ωSST湍流模型对不同来流速度以及不同风剪切指数下的风力机模型进行数值模拟,结果表明:剪切来流条件下风轮的轴向推力和功率都明显低于均匀来流时风轮的轴向推力和功率,随着风剪切指数的增大,风轮的轴向推力和功率会越来越接近均匀流时风轮的轴向推力和功率;叶展方向上不同截面的轴向载荷和周向载荷随方位角呈周期性变化,方位角为0°...

【文章页数】：87 页

【学位级别】：硕士

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摘要
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第1章 绪论
    1.1 课题研究背景及意义
    1.2 国内外风电行业的发展现状
    1.3 国内外研究现状综述
        1.3.1 风剪切对风力机叶片气动性能影响的研究现状
        1.3.2 风力机叶片结构优化研究现状
        1.3.3 风力机叶片疲劳分析研究现状
    1.4 课题主要研究内容
    1.5 创新点
第2章 风力机基本理论与研究方法
    2.1 风力机空气动力学基本理论
        2.1.1 贝兹理论
        2.1.2 叶素理论
        2.1.3 动量理论
        2.1.4 动量叶素理论
    2.2 数值模拟方法
        2.2.1 CFD方法
        2.2.2 流动控制方程
        2.2.3 湍流模型
    2.3 本章总结
第3章 风剪切对水平轴风力机气动性能的影响
    3.1 风力机叶片数值模拟
        3.1.1 模型建立
        3.1.2 边界条件设置
        3.1.3 计算域及网格划分
    3.2 风剪切对水平轴风力机气动性能的影响
        3.2.1 风剪切数学模型
        3.2.2 风轮的轴向推力和功率
        3.2.3 叶片截面气动载荷分布
        3.2.4 叶片压力分布
        3.2.5 风轮截面处速度分布
    3.3 不同风廓线下的风剪切对水平轴风力机气动性能的影响
        3.3.1 风轮轴向推力和功率
        3.3.2 叶片轴向和周向载荷随方位角的变化
    3.4 本章小结
第4章 大型风力机叶片结构分析
    4.1 风力机叶片结构理论
        4.1.1 复合材料特性
        4.1.2 层合板理论
        4.1.3 叶片结构特性有限元分析理论
    4.2 叶片有限元建模
        4.2.1 叶片有限元模型
        4.2.2 定义单元和材料类型
        4.2.3 叶片铺层参数
        4.2.4 网格划分
    4.3 模态分析理论
    4.4 风力机叶片主梁铺层改进
        4.4.1 主梁铺层角度对叶片结构性能的影响
        4.4.2 主梁铺层顺序对叶片结构性能的影响
        4.4.3 主梁铺层比例对叶片结构性能的影响
    4.5 本章小结
第5章 风剪切效应影响下叶片的疲劳寿命估算
    5.1 疲劳分析基本理论
        5.1.1 线性疲劳累积损伤理论
        5.1.2 非线性疲劳累积损伤理论
        5.1.3 疲劳性能S-N曲线
        5.1.4 条件疲劳极限
    5.2 风速分布
        5.2.1 风速分布模型
        5.2.2 估算参数K和 C的方法
    5.3 风力机叶片应力最大位置确定
    5.4 风力机叶片疲劳分析
        5.4.1 疲劳计算定义
        5.4.2 疲劳计算结果
    5.5 本章总结
结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
致谢
附录A(攻读学位期间所发表的学术论文目录)



本文编号：3844799