垂直轴风力发电机叶片结构设计

摘要

能源危机的日益严重促进了新能源的发展,风能成为广受瞩目的新能源之一。近年来垂直轴风力机开始引起关注,当下还没有成熟的大功率机型得到广泛的应用。叶片是风力机的关键部件之一,其良好的气动性能是风机获得较高风能利用率的保证;其良好的结构性能是风机能够安全正常运行的保证,同时也能最大限度的降低叶片生产的成本。本文在叶片具有较好气动性能的基础上重点研究了叶片的结构性能。具体研究内容如下:
　　首先应用动量-叶素理论中的双盘多流管模型计算分析了相同雷诺数情况下多种应用较广泛的翼型。主要研究了各翼型风能利用系数与尖速比之间的关系,由此筛选出了较适合本文设计目标的翼型,并确定了用来进一步验证叶片性能的风轮结构的主要结构参数。
　　然后以筛选出的翼型作为叶片的外形轮廓,本文设计了新的叶片结构,叶片的结构形式为蒙皮框架结构。叶片内部的框架结构为主要受力构件,叶片外部的蒙皮提供光滑气动外形以及迎风面,内部框架支撑蒙皮,保证蒙皮的气动外形。本文基于通用有限元软件ABAQUS重点对叶片框架结构进行设计、验算以及优化。使其达到叶片质量、各极限荷载工况下叶片最大位移和最大应力均较小的优化目标。并与其它几种常用叶片结构进行了对比计算分析,显示出了本文设计的叶片结构较优良的力学特性。
　　最后为模拟叶片真实的工作情况,研究其动力特性,本文设计了功率为1MW风轮结构。研究了各极限工况下风轮的力学性能,并重点关注了叶片变形和应力分布,结果表明叶片动力响应满足规范要求。由于直叶片垂直轴风力机风轮的结构特点,叶片工作时和风轮其它构件耦合后的固有频率和与叶片固有频率有很大差别,故对风轮进行了模态分析,在风轮结构中研究了叶片的振动特性,研究表明本文设计的叶片在实际工作状态下不易发生共振破坏。

目录

垂直轴风力发电机叶片结构设计

Structural Design for The Blade of Vertical Axis Wind Turbine

摘 要

Abstract

目 录

第 1 章 绪 论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.2 气动性能相关理论发展概况

1.3 风力发电机叶片结构发展概况

1.3.1 水平轴风力发电机叶片结构

1.3.2 垂直轴风力发电机叶片结构

1.4 风力机叶片材料发展概况

1.5 本文主要研究内容

第 2 章 叶片及风轮气动性能研究

2.1 引言

2.2 翼型气动性能计算

2.3 翼型气动性能计算结果分析

2.4 风荷载计算分析

2.4.1 大风工作工况风荷载计算

2.4.2 大风停机工况风荷载计算

2.5 本章小结

第 3 章 叶片结构设计及计算分析

3.1 引言

3.2 叶片框架结构设计

3.2.1 叶片支撑点位置

3.2.2 叶片内部框架结构设计

3.3 叶片框架结构强度和刚度分析

3.3.1 叶片框架结构模型分析

3.3.2 叶片框架结构优化

3.3.3 叶片框架结构局部及框架搬运验算

3.4 叶片蒙皮铺层设计及计算分析

3.5 叶片振动特性分析

3.6 不同叶片结构性能对比研究

3.7 本章小结

第 4 章 风轮结构设计及计算分析

4.1 引言

4.2 风轮结构设计

4.3 风轮结构计算及分析

4.3.1 重力荷载下及重力和向心力下的响应分析

4.3.2 重力向心力及风荷载下的响应分析

4.3.3 风轮振动特性分析

4.4 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢