MW级风力发电机风轮叶片流固耦合场强度分析

论文摘要

风轮是风力发电机的主要部件之一,其力学特性和气动效率的好坏与风力发电机的性能有着密切的关系。本文主要以某一MW级水平轴风轮叶片为研究对象,运用Ansys与CFX基于Ansys Workbench软件平台对其进行流固耦合数值模拟,并分析在其过程中叶片的变形及应力变化情况。通过离散风轮叶根安装角范围来计算风轮的输出转矩,在叶根安装角范围内转矩输出的最大值,对应最佳叶根安装角。基于最佳叶根安装角对不同叶厚工况进行了流固耦合数值分析；替换叶片材料为复合材料并进行了流固耦合数值模拟；最后将流固耦合技术应用于轴流泵叶片的强度分析。结果显示,叶根最佳安装角为13度；不同叶厚工况均在叶片压力面靠近中部位置出现应力集中,容易引起疲劳断裂；叶尖变形较大,容易引起叶片挥舞；通过改变复合材料铺层可改善叶片的综合力学性能,实现风轮叶片的优化设计；轴流泵叶片最大应力的增长远大于泵轮转速的增长速度,叶片危险截面位于叶片根部,应力集中主要在叶片外表面。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 风力机的种类
• 1.2.1 水平轴风力机
• 1.2.2 垂直轴风力机
• 1.3 流固耦合国内外研究现状
• 1.3.1 一般流固耦合的研究现状
• 1.3.2 旋转机械流固耦合的研究现状
• 1.4 旋转机械叶片流固耦合关系及耦合模型
• 1.5 本课题研究的具体内容
• 1.6 本章小结
• 2 数值模拟分析方案
• 2.1 概述
• 2.2 计算流体力学理论
• 2.2.1 流体力学基础
• 2.2.2 湍流模型
• 2.2.3 流固耦合模型
• 2.3 流固耦合分析方法
• 2.4 流固耦合分析软件的选择
• 2.5 本章小结
• 3 MW级风轮叶片流固耦合强度分析
• 3.1 概述
• 3.2 风轮叶片翼型基本知识
• 3.3 风轮叶片设计基本理论
• 3.3.1 贝茨理论
• 3.3.2 涡流理论
• 3.3.3 叶素理论
• 3.3.4 动量理论
• 3.4 MW级风轮叶片计算模型的建立
• 3.4.1 叶片及流场几何模型建模
• 3.4.2 叶片有限元模型
• 3.4.3 流场网格的划分
• 3.4.4 流固耦合计算模型边界条件的设置
• 3.5 计算结果分析
• 3.5.1 计算结果
• 3.5.2 应力分析
• 3.5.3 刚度分析
• 3.5.4 复合材料叶片流固耦合分析
• 3.5.5 叶片气动效率分析
• 3.6 本章小结
• 4 流固耦合技术在轴流泵叶片强度分析方面的应用
• 4.1 概述
• 4.2 计算模型
• 4.2.1 轴流泵叶片计算模型
• 4.2.2 流场计算模型
• 4.2.3 流固耦合分析边界条件的设置
• 4.3 计算结果分析
• 4.3.1 计算结果
• 4.3.2 应力分析
• 4.3.3 刚度分析
• 4.4 本章小结
• 5 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在校期间发表的论文及研究成果