垂直轴风力机风轮气动性能与结构动力分析

摘要

风力发电是通过风力机装置将风能转化为电能的，风轮是风力机的关键组成部分。在风力发电机的风轮设计中，获得准确的风轮的动力学性能是风力机整体与结构设计的基础和关键。本文以垂直轴风力机为研究对象，对其风轮的气动性能和结构动力性能进行了分析研究，主要研究内容如下：
　　1、简单介绍垂直轴风力机的工作原理和有限元方法，根据垂直轴风力机风轮的空气动力学设计理论，详细介绍了单流管气动设计模型、多流管气动设计模型和双向多流气动设计管模型，最终采用双向多流管模型方法对风力机的气动性能进行分析研究。
　　2、垂直轴风轮的性能受到很多因素的影响，包括有叶片攻角、叶片数量、叶片弦长、风轮高径比等，本文根据垂直轴风力机双向多流管模型，计算分析以上各个因素对风轮性能的影响，分析的结果可以为风轮的优化设计提供理论基础；对垂直轴风力机风轮进行了三维数值模拟，与二维模拟对比，其计算结果偏低。
　　3、风轮荷载的正确分析以及荷载的准确预报是进行风轮结构设计的基础和关键，是风轮各部件设计的前提，垂直轴的风力发电机运行环境中的荷载是非常复杂的，本文主要分析了空气动力荷载、重力荷载、离心力荷载。
　　4、在转子动力学理论的基础上，采用ANSYS软件对垂直轴风力机风轮进行模态分析，应用Lanczos法求解动态方程，获得风轮在静止状态下的固有频率和振型以及在不同转速下的各阶固有频率，并绘制了 Campbell 图，结果表明：垂直轴风力机风轮的主要振动为弯曲振动，风轮的工作转速低于其临界转速，避开了共振区，可以安全工作。

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选题的依据与意义

国内外文献综述

1 绪论

1.1 风力发电机概述

1.2 垂直轴风力机工作原理

1.3 有限元方法概述

1.4 课题研究内容

2 垂直轴风力机空气动力学理论

2.1 垂直轴风力机基本理论

2.2 垂直轴风力机流管理论模型

2.3 本章小结

3 垂直轴风力机气动性能分析与三维数值模拟

3.1 垂直轴风力机风轮气动性能分析

3.2垂直风力机风轮三维流场数值模拟

3.3 本章小结

4 垂直轴风力机风轮结构动力分析

4.1 垂直轴风力机风轮的荷载分析

4.2 垂直轴风力机风轮结构的动力学方程

4.3 垂直轴风力机风轮结构振动特性的有限元分析

4.4 本章小结

5 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

参考文献

附录：攻读硕士学位期间发表的部分学术论著

致谢