基于流固耦合的大型水平轴风力机叶片结构设计

摘要

随着风电技术的进步，风力发电机组大型化发展，单机容量增大，叶片外形尺寸越来越大，其结构也表现的越柔，叶片气动与结构的耦合效应对叶片载荷和性能的影响也越明显，机组风轮半径越大，耦合效应的影响就越明显；发生耦合时，叶片截面的攻角发生变化，使得截面翼型的升阻力发生变化，风轮实际出力达不到设计功率，同时耦合效应导致叶片载荷变化，使叶片振动加剧，对叶片造成疲劳破坏，甚至对整机造成不可修复性的损坏，不利于机组安全运行。因此，大型风力机叶片设计时叶片气动与结构的耦合作用不容忽视。叶片设计前期，可采用数值分析的方法对叶片流固耦合特性进行模拟。针对叶片流固耦合特性进行截面形式设计和铺层设计，使叶片在满足运行时的刚度和强度要求的同时，减小截面耦合变形，以减小叶片振动，提高使用寿命，并使叶片运行达到设计功率，同时尽可能减小叶片质量，降低叶片成本，提高市场竞争力。
　　本研究主要内容包括：⑴针对大型风力机叶片设计理论选择合理的设计方法，掌握设计流程，采用C语言编程实现8MW水平风力机叶片气动设计，并对不同工况时的载荷进行分析。沿着叶片展向气动力先增大后减小，叶片最大出力位置为距离叶根72%处。叶根处的气动剪力和弯矩最大，沿着叶片展向，叶片气动剪力和弯矩逐渐减小，叶尖处最小。⑵根据流固耦合原理以及控制方程，基于workbench平台，对8MW水平轴风力机叶片在不同工况时的流固耦合特性进行数值分析。结果表明：随着风速的增大，风轮表面的压力增大，极限风速时风轮表面压力达到最大；同时，叶片应力集中点越靠近叶根。叶片应力主要集中在叶根和距叶根60%至叶尖处。⑶依据叶片流固耦合特性，设计合理的叶片截面形式，包括腹板位置和腹板形式的设计，结果表明:大型风力机叶片采用单腹板时，腹板位置为35%时较适宜；双腹板时，两个腹板位置分别为20%和50%时较适宜，为减小耦合效应引起的叶片截面变形，大型风力机叶片宜采用双腹板形式。⑷比较大型风力机叶片常用材料的优缺点，选择合理的材料，针对叶片流固耦合特性进行铺层设计，确定合理的铺层角度、铺层顺序以及各角度铺层占总铺层的比例。为了减小层间应力，腹板铺层时避免0°和90°、45和-45连续铺放；腹板铺层时45铺层层数占总层数的58%左右时，叶片结构性能较好。⑸基于ANSYSAPDL对设计好的叶片进行有限元分析，校核设计结果，并研究分析其结构特性，包括叶片变形、固有频率、叶片振型以及最大等效应力，最后对叶片质量进行计算。

目录

声明

第1章 绪论

1.1风力发电研究的背景及意义

1.2 国内外风力叶片研究的现状和趋势

1.3本文研究的主要目的和内容

第2章 水平轴风力机叶片气动设计基本理论及方法

2.1关于叶片设计的基本概念

2.2 风力机叶片气动设计的基础理论

2.3风力机叶片气动设计的基本方法

2.4 大型水平轴风力机叶片气动设计

2.5 气动设计校核

2.6叶片载荷分析

2.7大型水平轴风力机叶片载荷计算

2.8 本章小结

第3章 叶片流固耦合特性分析

3.1流固耦合原理

3.2控制方程

3.3大型水平轴风力机风轮流固耦合特性数值计算与分析

3.4流场分析

3.5结构分析

3.6 本章小结

第4章 大型水平轴风力机叶片结构设计

4.1 叶片结构设计基础

4.2 叶片材料选择

4.3 叶片截面形式设计

4.4叶片铺层设计

4.5本章小结

第五章 风力机叶片有限元分析

5.1风力机叶片有限元模型建立

5.2定义单元类型

5.3定义材料属性

5.4定义铺层信息

5.5网格划分

5.6施加约束和载荷

5.7叶片结构特性分析

5.8铺层强度校核

5.9本章小结

总结与展望

本文总结

本文展望

参考文献

致谢

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