某低风速风力机叶片的气动设计与有限元分析

摘要

叶片是风力机的核心部件之一，决定着风力机整体以及零部件的性能和寿命。本文通过对已经投入市场的几款叶片进行分析比较，研究适用于中国四类风区（含弱三类风区）风力机的设计方法。首先，采用BLADE、ANSYS仿真设计软件对叶片的气动性能和结构铺层进行了设计和分析;其次，基于哈密顿原理建立了叶片在非定常气动力作用下叶片的大挠度、小挠度两种模型的挥舞动力学方程。采用微分求积法研究了叶片的挥舞频率问题。论文主要包括以下几个内容:
　　1通过调研中国风场以及风机市场需求情况，对适用于四类风区的叶片提出了设计目标要求。根据风机配置参数以及掌握的几款叶片数据，对叶片的气动外形进行了设计，并使用BLADE软件对叶片的气动性能、荷载进行了分析计算。结果表明，所设计叶片气动性能能够达到预期要求，叶片的极限荷载与国内同款叶片相差不大，疲劳荷载比国内同款叶片相比结果较小。
　　2利用ANSYS有限元仿真软件，通过对叶片的五种工况进行计算，得到了叶片的应力、应变、变形云图等结果，对叶片强度和刚度进行了校核。最后通过实体模型试验，对有限元方法的计算结果进行了验证。结果表明，有限元方法能够有效用来对叶片的结构进行分析计算，并且所要开发叶片的强度和刚度均满足设计。
　　3将叶片简化为欧拉—伯努利梁，建立了气动力作用下叶片挥舞运动的大挠度、小挠度模型，其中气动力由格林伯格公式给出。使用DQM法求解了叶片的挥舞频率，并分析了叶片的转速、锥角两个因素对其频率的影响。结果表明:(1)叶片受离心刚化作用，其挥舞频率随着转速的增大而增大。(2)叶片的挥舞频率关于βp=0°对称，并随着锥角绝对值的增大而减小。当转速较小时，锥角对频率的影响小;当转速较大时，锥角对频率影响较大，这种影响在大挠度模型中尤其明显。(3)对于转速较低或锥角较小时，可以不考虑空气作用力影响，选用小挠度模型就可以很好的估计频率;对于转速较大或者锥角较大时，则应选用大挠度模型，并考虑空气作用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 风力发电历程及研究意义

1．1．2 世界风电现状

1．1．3 国内风电发展现状

1．2 低风速叶片研制的重要性

1．3 本文叶片开发的技术路线

1．4 本文的研究内容

第2章 风力机叶片基础理论

2．1 引言

2．2 风力机空气动力学理论

2．2．1 动量理论

2．2．2 叶素理论

2．2．3 叶素-动量理论

2．3 叶片的荷载计算

2．3．1 气动荷载

2．3．2 重力荷载

2．3．3 惯性荷载

2．4 BLADE简介

2．5 本章小结

第3章 叶片气动设计及分析

3．1 引言

3．2 设计思路及设计方法

3．3 叶片气动外形初步设计

3．3．1 初步结构参数

3．3．2 几何属性分布

3．4 叶片气动性能分析

3．5 本章小结

第4章 叶片的荷载分析与结构设计

4．1 引言

4．2 叶片结构设计方案

4．3 叶片的荷载计算

4．4 本章小结

第5章 叶片的有限元分析

5．1 引言

5．2 叶片有限元模型的建立

5．2．1 单元设置与材料属性

5．2．2 模型建立与网格划分

5．2．3 边界条件与加载方案

5．3 计算结果与分析

5．3．1 刚度计算结果

5．3．2 强度计算结果

5．3．3 蔡-吴失效判据校核强度

5．4 计算结果与实验结果对比

5．5 本章小结

第6章 叶片的挥舞频率分析

6．1 引言

6．2 挥舞运动方程的建立

6．2．1 叶片的大挠度模型

6．2．2 叶片的小挠度模型

6．3 挥舞振动特性分析

6．3．1 微分求积法

6．3．2 微分求积法对微分方程的离散

6．3．3 结果分析

6．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果