大型风机叶片气动性能计算与结构设计研究

摘要

近年来化石能源危机，环境危机使得可再生能源得到空前发展。风能作为环保型，无穷无尽之能源，在20世纪80年代后进入了发展的黄金时期。中国作为能源消费大国，近年来风电得到国家层面上的大力支持从而得到快速发展。但起步较晚使中国风电技术与风电发达国家差距很大，MW级以上风电设备设计技术基本依赖进口，作为风电机组关键部件之一的叶片尤其如此。本文在国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAA01A09)支持下，根据现有进口叶片，着重对大型水平轴风机叶片进行气动性能计算和结构设计进行了研究，取得如下成果： (1)风轮气动性能主要包括功率、轴力、转矩以及其对应的功率系数、轴力系数和转矩系数，本文采用叶素动量理论，结合前人研究成果，建立了较完善的风轮叶片气动性能计算模型，考虑风轮实度(叶片数)、安装角、锥角、倾角以及叶片宽度、厚度，风轮偏航等因素，采用迭代法计算叶素诱导因子，编制matlab计算程序，分析了这些因素对风轮气动性能的影响。并在整个叶片翼展方向，对轴向诱导因子和周向诱导因子以及叶素功率分布进行了详细分析。分析结果表明，风轮实度、安装角对功率影响显著，锥角和倾角将会导致风轮各项气动性能下降。叶片宽度和厚度对风轮气动性能影响不大。 (2)完成了一整套利用有限元软件对大型叶片进行校核分析的方法，摸索出了具有复杂气动外形和内部铺层结构的复合材料叶片建模的有效方法。并直接利用软件对叶片各截面、各方向刚度进行近似计算，与理论值吻合良好，表明该方法可行、有效。与理论法相比，该方法简便易行，特别适合非规则截面复合材料构件刚度的计算。对叶片动力行为模态进行了理论上的探讨，推导出了叶片自振频率的估算公式，模态分析表明叶片第一阶模态发生在挥舞方向，第二阶发生在摆振方向，高阶模态逐渐复杂化，呈现出混合振型形式。应变的校核分析表明，叶片主要在叶根和最大弦长处有较大应变值。在稳定性分析中，发现叶尖区域是叶片可能发生失稳的一部分。 (3)对叶片设计的关键之一，结构铺层设计进行了研究，建立了大型叶片初步结构设计的理论方法。叶片采用分段原则，以叶片挥舞方向极限弯矩为设计载荷，综合运用前人总结的经验公式，以及经典层合板理论和Euler-Bernoulli梁理论，在外形不变的前提下，对现有750KW叶片在结构铺层上进行重新设计研究。研究表明，理论设计不是最终设计，前面的有限元校核分析，修正将起到十分重要的作用。通过对比分析，本文对750KW叶片的结构铺层设计比较合理，在叶片重量、挥舞方向刚度、叶尖挠度均占优势，仅在稳定性方面不如原有叶片。 (4)在主梁上用碳纤维材料替代玻璃纤维作为叶片主要承载构件的增强材料，研究了叶片弯扭耦合设计的可行性。首先对叶片弯扭设计进行了参数化研究，建立控制弯扭耦合的主要参数α，从理论和数值分析两个方面估算α可能的取值范围。进行弯扭耦合设计可以从几个方面进行，比如几何外形上，或者将材料主轴与主受力方向成一角度。本文采用后者，在主梁将碳纤维主轴与主受力方向成0°、10°、15°和20°角。对弯扭耦合设计后的叶片整体性能进行了分析，并与本文新设计的叶片结构进行了对比分析，研究表明，运用弯扭耦合设计理念，叶片结构性能在几乎所有方面都有了提高，这表明弯扭耦合的巨大意义，同时也显示了碳纤维运用到叶片结构设计中的潜力。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1课题研究背景

1.2选题的依据和研究意义

1.2.1水平轴风力机风轮气动性能

1.2.2水平轴风力机风轮叶片结构设计

1.3大型水平轴风机气动性能与叶片结构设计研究现状

1.3.1水平轴风力机风轮气动性能计算技术研究现状

1.3.2大型风机叶片结构设计技术研究现状

1.4本文研究的主要内容

第二章 叶片气动性能影响因素研究

2.1前言

2.2基本理论

2.2.1轴向动量理论

2.2.2叶素理论

2.2.3计算a和a'

2.3气动性能影响因素

2.3.1功率系数、轴力系数、转矩系数与叶尖速比的关系

2.3.2叶片厚度和宽度对风轮气动性能的影响

2.3.3风力机结构参数对风轮气动性能的影响

2.3.4垂直剪切风对风轮气动性能的影响

2.3.5偏航对风轮气动性能的影响

2.4数值算例分析

2.4.1计算所用数据

2.4.2功率、功率系数与风速、尖速比的关系

2.4.3不同影响因素对风轮气动性能的影响

2.5小结

第三章 叶片结构校核分析研究

3.1前肓

3.2叶片有限元模型

3.2.1叶片几何外形

3.2.2叶片有限元模型

3.3叶片质量与刚度计算

3.3.1叶片面积与质量分布

3.3.2刚度计算

3.4叶片动力行为分析

3.4.1叶片模态分析

3.5叶片应变分析

3.6叶片稳定性分析

3.7小结

第四章 叶片结构设计研究

4.1前言

4.2叶片构造形式

4.3叶片结构设计方法研究

4.3.1叶片结构设计概述

4.3.2叶片结构设计理论

4.4叶片结构设计实例

4.4.1叶片几何外形

4.4.2材料的选择

4.4.3主要没计工况与载荷分布

4.4.4叶片结构铺层厚度计算

4.5与现有750KW叶片对比分析

4.6小结

第五章 叶片弯扭耦合设计研究

5.1前言

5.2弯扭耦合控制参数

5.2.1参数建立

5.2.2弯扭耦合参数研究

5.3叶片弯扭耦合设计

5.4小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

博士期间参加的课题和发表的论文