兆瓦级风力机叶片初步设计中的多学科优化设计方法研究

论文摘要

叶片是风力机的核心部件,随着风力机向大型化发展,兆瓦级风力机叶片对可靠性和质量都提出了更高的要求,传统的叶片设计方法往往将气动设计和结构设计分离开来,在设计时注重保证风能效率的最大化,使得叶片质量较大,从而导致了较高的风能成本。另一方面,随着新型材料以及新型制造工艺的发展,传统的安全系数法的可能过于保守或者不安全。基于多学科可靠性优化设计方法,本文提出综合考虑气动性能与结构强度,在保证可靠性的同时降低风能成本。本文的主要工作和成果如下：(1)基于气动性能的叶片气动外形优化设计,首先设计叶片的基本参数,包括尖速比、翼型等,并计算获得翼型的气动数据,然后利用叶素动量理论,对弦长和扭角进行优化设计,初始叶片额定功率达2.65MW。(2)基于结构强度的风力机叶片优化设计,首先选择叶片结构形式和材料,然后基于安全系数法,建立优化设计模型,对0。玻璃钢铺层厚度进行优化设计。设计结果显示叶片厚度和质量分布符合实际情况且挠度比较小。(3)基于一次二阶矩法,建立了叶片弯曲应力可靠性计算方法,探索了材料性能对可靠性的影响程度,结果发现材料强度的变异系数对可靠性影响最大。在此基础上建立叶片可靠性优化设计模型,再次对初始叶片的0。玻璃钢铺层厚度进行优化设计,设计结果与基于安全系数法的设计结果吻合。(4)基于XFOIL翼型气动分析软件和BEM理论,建立了由翼型相对厚度计算获得额定功率的数学模型,为多学科可靠性优化设计模型做了准备。(5)研究了叶片气动性能和叶片质量的耦合关系,叶片内圈的额定功率随翼型相对厚度先增加后减小,当25%翼展处的翼型相对厚度为0.246时额定功率最大,叶片质量则随翼型相对厚度增大而减小。(6)分别以风能效率最大化、风能效率成本最小和叶片质量最小为设计目标,建立了基于多学科可靠性优化设计模型,对叶片翼型相对厚度和0。玻璃钢铺层厚度进行优化设计,优化结果表明适当牺牲叶片风能效率,可大幅减轻叶片的质量,从而降低风能成本。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 风力机叶片设计研究现状
• 1.2.1 风力机叶片翼型研究现状
• 1.2.2 风力机气动设计理论研究现状
• 1.2.3 风力机结构设计理论研究现状
• 1.2.4 气动结构耦合设计研究现状
• 1.3 风力机叶片可靠性研究现状
• 1.4 多学科优化设计方法研究现状
• 1.5 主要研究内容
• 第2章 基于气动性能的风力机叶片优化设计
• 2.1 叶素动量理论
• 2.1.1 动量理论
• 2.1.2 叶素理论
• 2.1.3 叶素-动量理论
• 2.1.4 叶尖损失
• 2.1.5 Glauert修正
• 2.2 叶片气动外形优化设计
• 2.2.1 风轮基本参数选定
• 2.2.2 翼型选择及气动数据计算
• 2.2.3 弦长与扭角优化设计
• 2.3 兆瓦级风力机叶片气动外形设计实例分析
• 2.3.1 兆瓦级风力机叶片设计基本参数
• 2.3.2 兆瓦级风力机叶片的翼型选择及气动数据
• 2.3.3 兆瓦级风力机叶片气动外形优化设计结果分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于结构强度的风力机叶片优化设计
• 3.1 复合材料梁设计理论
• 3.2 叶片结构优化设计
• 3.2.1 叶片结构形式以及材料选择
• 3.2.2 弯曲应力计算方法
• 3.2.3 叶片结构优化设计建模
• 3.3 兆瓦级风力机叶片结构优化设计实例分析
• 3.3.1 兆瓦级风力机叶片结构形式及材料选择
• 3.3.2 兆瓦级风力机叶片箱型梁结构弯曲应力计算
• 3.3.3 兆瓦级风力机叶片箱型梁结构优化设计模型
• 3.3.4 兆瓦级风力机叶片结构优化设计结果分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 兆瓦级风力机叶片的结构可靠性优化设计
• 4.1 叶片可靠性优化设计方法
• 4.1.1 可靠性概念
• 4.1.2 可靠度计算方法
• 4.2 兆瓦级风力机叶片可靠性计算建模
• 4.3 兆瓦级风力机叶片可靠性影响因素分析
• 4.4 兆瓦级风力机叶片可靠性优化设计结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 兆瓦级风力机叶片多学科可靠性优化设计
• 5.1 兆瓦级风力机叶片的多学科优化设计问题
• 5.2 兆瓦级风力机叶片气动性能分析建模
• 5.2.1 翼型参数化
• 5.2.2 翼型气动数据计算
• 5.2.3 额定功率计算
• 5.3 兆瓦级风力机叶片多学科可靠性优化设计
• 5.3.1 多学科可靠性优化设计模型
• 5.3.2 多学科可靠性优化设计模型分解
• 5.3.3 兆瓦级风力机叶片气动性能和质量耦合关系研究
• 5.3.4 基于iSIGHT多学科可靠性优化设计模型求解
• 5.3.5 兆瓦级风力机叶片多学科可靠性优化设计结果分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果