大型风力机叶片的优化设计与有限元分析

摘要

风能作为一种可再生、无污染的新能源越来越得到世界各国的重视。为了使丰富的风能资源用来发电，近年来各国加大投入研制风力发电机。叶片做为风力发电机的重要部件，其成本占风力发电机总成本的三分之一，因此高性能叶片的设计就成为风力机研究中的重中之重。
　　本课题主要研究内容是一种1.5MW水平轴风力机叶片的优化设计与有限元分析。本文运用贝茨理论求得叶片的基本参数，其中包括叶片数、叶片直径、尖速比等。为了更好的建立叶片模型，将叶片沿展向分成28个截面，基于Wilson气动性能方法并通过MATLAB软件数值优化包求得叶片各个截面的翼型弦长和扭转角。然后通过Profili软件获得叶片各个截面的翼型二维离散点数据。基于坐标转换原理和各个截面的弦长、扭转角等参数，求得叶片截面各点的三维坐标。最后由软件Pro/e生成叶片三维模型。运用ANSYS Workbench对叶片模型添加材料属性，划分网格，对叶片施加载荷与约束，进行叶片模态分析和叶片结构的强度分析。
　　通过对本文建立的叶片模型进行静止状态和有预应力两种工况下的结构模态计算，并提取计算所得的前六阶模态频率和振动情况，可知叶片的最小模态频率远远大于叶片的自然频率，验证了叶片在启动和正常运行时很好的避免了共振的发生。通过分析了叶片在被施加极限挥舞载荷作用下的表面应力分布、应变等结构的强度分析。求得叶片的最大应力分布情况与最大应变位置。通过将求得的应力与叶片材料强度相比较可知所设计叶片结构满足强度需求，为实际叶片的设计与制造提供了很好的依据和参考。

目录

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摘要

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附表索引

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 国内外风电技术的发展概况

1．2．1 地球范围内风能资源分布

1．2．2 国外风电技术的发展概况

1．2．3 国内风电技术的发展概况

1．3 风力机叶片技术的发展概况

1．4 本文的研究内容和意义

第2章 风力机的基本原理

2．1 风力机类型与结构特征

2．1．1 垂直轴风力发电机

2．1．2 水平轴风力发电机

2．2 风力发电机叶片的概念

2．3 叶片空气动力理论

2．3．1 贝茨(Betz)理论

2．3．2 葛劳渥旋涡理论

2．3．3 叶素理论

2．4 叶片翼型

2．5 影响翼型空气动力特性的因素

2．5．1 雷诺数影响

2．5．2 湍流度影响

2．6 作用在翼型上的气动力

2．6．1 气流流经翼型流动情况

2．6．2 升力与阻力

2．6．3 升力系数、阻力系数和力矩系数

2．7 小结

第3章 风力机叶片的设计

3．1 风力机的额定风速

3．1．1 风速的数学表达式

3．1．2 风力机特征风速的推导

3．2 风力机基本参数的确定

3．3 风力机叶片设计数学模型

3．3．1 Schmitz设计模型

3．3．2 Glauert设计模型

3．3．3 Wilson设计方法的数学模型

3．4 Wilson设计方法的设计步骤

3．5 叶片优化设计程序化实现

3．5．1 求得干扰因子a、b

3．5．2 优化结果输出

3．6 小结

第4章 叶片模型的建立

4．1 翼型的选择

4．2 叶片各截面坐标数据转换计算

4．2．1 翼型离散点数据的获得

4．2．2 叶片各截面翼型的转换

4．3 叶片三维模型的建模

4．4 小结

第5章 叶片的有限元分析

5．1 有限元分析简介

5．2 叶片结构有限元计算理论依据

5．3 有限元分析软件

5．4 基于ANSYS进行的叶片模型的动力学分析

5．4．1 叶片模型的网格划分

5．4．2 结构静力分析

5．5 叶片动力学模态分析

5．5．1 模态分析理论依据

5．5．2 利用有限元分析求解

5．6 小结

第六章 结论与展望

6．1 本文结论

6．2 工作展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文