风力机总体设计技术研究及设计软件开发

论文摘要

现代大型风力机设计是一个涉及多学科交叉的复杂问题,因此,风力机的总体设计必须综合考虑风力机系统的结构布局、部件间的动态耦合、动力学优化及系统的可靠性。风力机总体设计技术包括:(1)风电机组动态空气动力学理论及气动优化方法;(2)风电机组载荷计算的气动弹性模型及分析方法;(3)极端条件下整机稳定性及可靠性理论与分析方法;(4)风电机组总体结构布局的优化设计理论及方法;(5)风电机组结构动力学分析、结构疲劳测试及多点耦合振动测试机理及实验平台建设等。本文首先分析了现代风力发电机组的结构和运行特性,参考风力机运行的外部环境和相关国际标准,对风力机整机系统所受各种载荷的计算方法及相互间的影响进行研究,通过分析各零部件之间的载荷传递关系,以载荷链的形式建立了整机载荷传递模型。风力发电机组总体设计技术理论的基础研究是急需解决的关键科学问题。本文对风力发电机组总体设计技术及其系统布局进行了初步研究,确定了风力发电机组总体设计参数的方法,对总体布局的方案设计进行了分析,对传力路线的布局方式与机组整体性能的关系进行了研究。本文利用有限单元法建立了风力机零部件和整机的总体设计结构动力学分析模型。通过风场计算、空气动力学计算和结构动力学分析,从而构成一个完整的风力机整机动力学分析模型方法。利用以上研究成果,开发了相应的计算软件,并集成风力机全系统载荷分析及优化设计软件HAWTDesign。使用软件对1.5MW风力机的分析结果表明,软件计算结果可靠,适用于风力机的总体设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 选题背景及意义
• 1.1.1 全球风力发电概况
• 1.1.2 迅猛发展的中国风电
• 1.1.3 风力机设计与制造技术现状
• 1.1.4 本课题的意义
• 1.2 论文的主要内容和技术路线
• 第二章 风力机总体设计技术
• 2.1 风力发电机组总体设计概述
• 2.2 风力发电机组的总体参数设计
• 2.2.1 额定风速
• 2.2.2 叶尖速比
• 2.2.3 叶片数目
• 2.2.4 风轮直径
• 2.2.5 塔架刚度、高度及其他参数
• 2.3 风力机总体布局设计
• 2.3.1 风轮的气动设计
• 2.3.2 风力发电机组的传动系统布局设计
• 2.3.3 风力发电机组的变桨距系统布局设计
• 2.3.4 风力发电机组的制动系统设计
• 2.3.5 风力发电机组的偏航系统设计
• 2.4 本章小结
• 第三章 风力机载荷传递模型
• 3.1 水平轴风力机的结构
• 3.2 水平轴风力机的载荷情况
• 3.3 水平轴风力机坐标系统
• 3.4 风力机动态空气动力学模型
• 3.4.1 片条理论
• 3.4.2 动态尾流模型
• 3.4.3 动态失速模型
• 3.5 水平轴风力机载荷传递模型
• 3.5.1 风轮的载荷
• 3.5.2 轮毂载荷
• 3.5.3 传动系统载荷
• 3.5.4 偏航轴承载荷
• 3.5.5 塔架载荷
• 3.5.6 整机载荷计算流程图
• 3.6 1.5MW风力机载荷计算实例
• 3.7 本章小结
• 第四章 风力机整机结构动力学研究
• 4.1 风力机结构动力学研究概述
• 4.2 风力机结构动力学的研究方法
• 4.2.1 风力机结构动力学的实验方法
• 4.2.2 风力机结构动力学的计算方法
• 4.2.3 风力机结构动力学的理论基础
• 4.3 风力机仿真分析软件现状
• 4.4 风力机的结构动力学有限元分析软件开发
• 4.4.1 风力机结构动力学分析软件开发
• 4.4.2 风轮的有限元分析
• 4.4.3 传动系统、轮毂、底盘的动力学分析方法
• 4.4.4 塔架的有限元分析
• 4.4.5 风力机整机系统的有限元分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的论文
• 个人简历