达里厄型垂直轴风力发电机结构可靠性分析研究

论文摘要

风能是可再生的清洁能源,风力发电是缓解能源紧张和环境压力的重要手段。目前在风力发电机组设计的主要技术上,我国尚处于较低的水平,尤其是对于垂直轴风力发电机组而言,由于缺乏足够的工程实践可供借鉴,也没有成熟的规范可供参考,其设计仍然停留在传统结构形式。本文运用空气动力学、结构力学等理论知识,重点研究了达里厄型垂直轴风力发电机结构设计方法,并将CAD/CAE技术成功运用到样机设计阶段,有效的缩短了设计的周期。达里厄型垂直轴风力发电机风轮结构属于高柔性复杂非线性结构系统,结构可靠性是机组的重要性能指标。本文开展的主要工作如下:垂直轴风力机结构设计方法探索,其中重点研究了风力机结构设计流程、布置方案和叶片型线计算方法;运用CAD/CAE技术重点研究了风轮的动态特性、静态特性、疲劳特性、稳定性等可靠性指标。动态特性研究表明,风力机结构在随机风载荷和周期性空气动力载荷作用下具有可靠的动态特性,重点分析了结构在冲击载荷激励下系统的有阻尼自由振动特性、随机风载作用下系统的风振响应特性以及系统的非线性振动特性。静态特性研究表明,风力机在各工况下具有良好的结构强度,特别是使用了Troposkien型线的风轮叶片结构,叶片内部应力水平始终保持稳定,在运行过程中不会受到离心力作用的影响,也不会由于应力集中而造成疲劳破坏。基于风轮结构的动、静态特性研究的基础,完成了风轮结构的部件详细设计、疲劳分析和结构稳定性分析。研究分析的结果表明,该结构能够达到国家标准规定使用寿命期间不发生失效,结构具有很高的可靠性。本文提出的关于垂直轴风力发电机风轮的结构设计、强度分析和可靠性分析的研究工作,思路和方法具有较大的通用性和工程实践价值。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 风力发电机
• 1.1.1 风力发电机的分类
• 1.1.2 垂直轴风力发电机
• 1.2 风力发电现状及发展趋势
• 1.2.1 风力发电发展及其现状
• 1.2.2 风力发电发展趋势
• 1.3 课题的提出
• 1.3.1 风力机结构设计要求
• 1.3.2 国内风力发电机研制现状
• 1.3.3 有限元方法在风力发电机设计中的应用
• 1.3.5 课题来源与研究目的和意义
• 1.4 VAWT结构设计研究现状
• 1.5 本文工作的主要内容
• 2 VAWT结构参数化设计
• 2.1 结构设计及其特性分析流程
• 2.2 设计理论基础
• 2.2.1 Φ型Darrieus空气动力计算理论基础
• 2.2.2 VAWT结构设计理论基础
• 2.3 MW级垂直轴风力机结构设计参数
• 2.3.1 结构设计的外部条件
• 2.3.2 垂直轴风力机整机结构布置
• 2.3.3 风轮整体结构参数的计算
• 2.3.4 MW级垂直轴风力机初始设计参数
• 2.4 本章小结
• 3 VAWT结构动态特性分析
• 3.1 VAWT动力特性分析理论
• 3.1.1 结构非线性振动基本原理
• 3.1.2 VAWT结构风振响应分析
• 3.2 VAWT结构动力特性FEA分析理论
• 3.2.1 垂直轴风力机相关有限元理论
• 3.2.2 垂直轴风力机FEA模型
• 3.2.3 VAWT结构动力分析方案
• 3.3 模态分析
• 3.3.1 FEA模态缩减理论
• 3.3.2 VAWT模态分析
• 3.4 基于FEA理论的结构动力响应分析
• 3.4.1 FEA瞬态响应分析理论
• 3.4.2 VAWT动力响应FEA分析
• 3.4.3 VAWT结构动力特性分析结果
• 3.5 本章小结
• 4 VAWT结构静态特性分析
• 4.1 FEA静力分析基础
• 4.1.1 FEA静力分析方法
• 4.1.2 FEA静力分析基本步骤及优越性
• 4.2 VAWT结构静力分析
• 4.2.1 VAWT静力分析问题域
• 4.2.2 VAWT结构静力分析方案
• 4.2.3 VAWT静力分析主要载荷计算
• 4.2.4 设计安全系数
• 4.3 VAWT结构静力分析结果
• 4.3.1 分析结果
• 4.3.2 叶片静力特性分析
• 4.4 风力机结构关键部件强度校核
• 4.4.1 风力机叶片强度校核
• 4.4.2 风力机主轴强度校核
• 4.4.3 风力机塔架强度校核
• 4.5 本章小结
• 5 VAWT结构可靠性分析
• 5.1 VAWT结构可靠性
• 5.1.1 结构失效的基本概念
• 5.1.2 VAWT结构可靠性的研究内容
• 5.2 VAWT结构疲劳寿命分析
• 5.2.1 VAWT疲劳特性研究
• 5.2.2 VAWT疲劳寿命预测方法
• 5.2.3 基于FEA的风轮疲劳寿命分析
• 5.3 VAWT结构稳定性分析
• 5.3.1 VAWT结构稳定性计算原理
• 5.3.2 主轴稳定性分析
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文