10kW失速型风力机叶片设计、载荷计算与强度分析

论文摘要

随着化石能源的日益短缺与生态环境的不断恶化,以及风能开发成本的逐渐降低,世界各国都在进一步发展风力发电技术。然而相比大型风力机,小型风力机的研究比较薄弱。目前许多国内小型风力机厂家缺乏对风力机动态载荷与结构强度方面的研究,导致国内的小型风力机故障率高,品质低,难以通过国际认证。本文首先介绍了国内外小型风力机产业的发展情况以及小型风力机的分类,并阐述了风力机的载荷计算现状,由此引出本文的研究内容与意义。其次,由叶片设计理论,通过MATLAB编程得出叶片的气动外形数据,并编写了用户图形界面,提高了叶片设计效率。使用Solidworks软件建立了叶片的三维模型,并对其进行模态分析。再根据IEC标准中的规定,运用GH-Bladed软件对10kW风力机进行动态仿真,得出风力机的极限载荷情况,为风力机的有限元分析提供载荷参数。最后,使用Solidworks软件的有限元分析模块对lOkW风力机的机舱架进行强度分析,验证其强度是否满足设计要求。通过本文的研究,为小型风力机的叶片设计、载荷计算与强度分析提供了清晰的思路,并且载荷计算部分符合IEC标准,有利于风力机通过国际认证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 小型风力机发展状况
• 1.2.1 国外小型风力机发展状况
• 1.2.2 国内小型风力机发展状况
• 1.3 小型风力机的分类
• 1.3.1 按照风力机的叶轮轴位置分类
• 1.3.2 按照叶轮与塔架的相对位置分类
• 1.3.3 按照发电机与叶轮之间是否有齿轮箱分类
• 1.3.4 按照速度控制方式分类
• 1.3.5 按照桨距控制方式分类
• 1.4 风力机载荷计算综述
• 1.5 本课题的研究意义与内容
• 第2章 风力机空气动力学与叶片设计基础理论
• 2.1 动量理论
• 2.2 叶素理论
• 2.3 动量——叶素理论
• 2.4 涡流理论
• 本章小结
• 第3章 10kW风力机主要参数与叶片设计
• 3.1 10kW风力机主要参数的设计
• 3.1.1 设计的额定功率
• 3.1.2 叶片数目
• 3.1.3 设计的年平均风速与极限风速
• 3.1.4 设计风速与额定风速
• 3.1.5 切入风速与切出风速
• 3.1.6 设计的气动功率系数
• 3.1.7 叶轮直径
• 3.1.8 设计叶尖速比
• 3.1.9 叶轮的额定转速与最大转速
• 3.1.10 塔筒高度
• 3.1.11 翼型的选择
• 3.2 风力机叶片三维建模
• 3.2.1 叶片弦长与扭角的计算
• 3.2.2 求解弦长与扭角的具体值
• 3.2.3 叶片各个截面坐标的求解
• 3.3 叶片的模态分析
• 3.3.1 叶片有限元模型的动力学特征方程
• 3.3.2 叶片材料
• 3.3.3 叶片网格划分与约束条件
• 3.3.4 叶片模态分析结果
• 本章小节
• 第4章 小型风力机动态载荷计算
• 4.1 风力机载荷计算的坐标系描述
• 4.2 基于GH-Bladed软件的10kW风力机动态载荷计算
• 4.2.1 计算工具GH-Bladed软件的介绍
• 4.2.2 GH-Bladed动态仿真流程
• 4.2.3 工况描述
• 4.2.4 各种工况载荷计算结果
• 本章小节
• 第5章 10kW风力机机舱架有限元分析
• 5.1 材料参数
• 5.2 机舱架的载荷
• 5.2.1 轮毂的极限载荷
• 5.2.2 自重载菏
• 5.3 网格模型的生成
• 5.4 施加边界条件
• 5.4.1 约束
• 5.4.2 载荷
• 5.5 有限元分析结果
• 5.5.1 工况1.6分析结果
• 5.5.2 工况2.1分析结果
• 5.5.3 工况4.1分析结果
• 5.5.4 工况5.1分析结果
• 5.5.5 工况6.1分析结果
• 5.6 结果分析
• 5.7 结论
• 本章小节
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 攻读学位期间发表的论文