垂直轴风力机锥齿轮式变桨距结构的优化研究

论文摘要

风能的利用是解决化石能源枯竭和环境问题的有效手段之一,而风力机是风能利用中最重要的能量转换装置。垂直轴风力机由于具有不需要调向机构,便于维护和成本低等优点,而广泛应用于市政设施、偏远地区等。本文拟针对H型垂直轴风力机风轮中的变桨距结构进行优化研究。其研究的内容主要有以下四个方面:(1)提出一种电动机直驱锥齿轮式变桨距机构,该机构可以自动调节叶片的攻角,以适应不同的风速。(2)中心轴是锥齿轮式变桨距结构中连接轮毂和叶片的重要零件,是拉弯复合状态;采用ANSYS对变桨距结构中心轴的变形过程、应力及应变等进行分析研究,并比较确定出合适的中心轴截面形状。(3)在第二项内容的基础上,使用MATLAB再对所选定的中心轴进行减振降重双目标优化设计。(4)本文涉及的中心轴是一个细长杆结构,因此有必要对其进行模态分析。本文完成所得到的研究成果:(1)在分析比较现有垂直轴风力机变桨距结构性能特点的基础上,用锥齿轮系传动结构来实现本文垂直轴风力机的变桨距结构。(2)通过分析比较中心轴的变形、应力、应变等得出圆形比方形更宜做变桨距中心轴的截面形状。(3)安装中心轴时,对其施加预应力可有效降低风力机与变桨距中心轴发生共振的可能性。(4)对中心轴进行减振降重双目标优化得到中心轴各节点振动速度都有所降低,达到预期的优化目标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外风能利用发展现状
• 1.2.1 国内风能利用发展现状
• 1.2.2 国外风能利用发展现状
• 1.3 风力发电系统的种类
• 1.4 风力发电机的基础理论
• 1.5 风力发电机的分类
• 1.5.1 水平轴风力发电机
• 1.5.2 垂直轴风力发电机
• 1.6 垂直轴风力发电机变桨距结构分析
• 1.6.1 叶片分离式变桨距结构
• 1.6.2 凸轮式变桨距结构
• 1.6.3 合页式变桨距结构
• 1.6.4 锥齿轮式变桨距结构
• 1.7 课题研究意义
• 1.8 课题研究的主要内容
• 第2章 垂直轴风力机变桨距结构
• 2.1 新型垂直轴风力机锥齿轮式变桨距
• 2.1.1 锥齿轮系传动结构
• 2.1.2 行星齿轮系和锥齿轮组合传动结构
• 2.1.3 锥齿轮式变桨距控制结构
• 2.2 锥齿轮式变桨距结构模型
• 2.3 锥齿轮式变桨距中心轴的载荷分析
• 2.3.1 载荷分类
• 2.3.2 风载荷
• 2.4 风力机叶片翼型及材料选择
• 2.5 锥齿轮式变桨距中心轴的参数计算
• 2.5.1 风力机的叶尖速比
• 2.5.2 风轮的扫掠面积
• 2.5.3 锥齿轮式变桨距中心轴的长度
• 2.5.4 风轮叶片的弦长
• 2.5.5 风轮叶片的离心力
• 2.5.6 风轮叶片的空气动力学总力
• 2.5.7 锥齿轮式变桨距中心轴的离心力
• 2.5.8 锥齿轮式变桨距中心轴的合力
• 2.5.9 风力机的风能利用率
• 2.6 本章小结
• 第3章 锥齿轮式变桨距中心轴有限元分析
• 3.1 有限元软件简介
• 3.1.1 ANSYS 功能简介
• 3.1.2 ANSYS 有限元分析流程
• 3.2 锥齿轮式变桨距中心轴的强度刚度判据
• 3.2.1 锥齿轮式变桨距中心轴的强度判据
• 3.2.2 锥齿轮式变桨距中心轴的刚度判据
• 3.3 锥齿轮式变桨距中心轴的静力分析
• 3.3.1 圆形中心轴的静力分析
• 3.3.2 方形中心轴的静力分析
• 3.4 锥齿轮式变桨距中心轴的截面形状选择
• 3.5 模态分析的意义
• 3.6 锥齿轮式变桨距中心轴模态分析
• 3.6.1 锥齿轮式变桨距中心轴不同截面形状的模态分析
• 3.6.2 圆形中心轴模态图
• 3.6.3 加预应力圆形中心轴的模态分析
• 3.7 模态分析在风力机上的应用分析
• 3.8 本章小结
• 第4章 垂直轴风力机锥齿轮式变桨距中心轴优化
• 4.1 对风力机已做优化设计工作
• 4.2 锥齿轮式变桨距结构中心轴优化意义
• 4.3 锥齿轮式变桨距中心轴有限元模型和振动模型
• 4.3.1 中心轴的力学分析
• 4.3.2 中心轴的有限元模型
• 4.3.3 中心轴的振动数学模型
• 4.4 锥齿轮式变桨距中心轴优化模型及求解过程
• 4.4.1 中心轴振动优化模型
• 4.4.2 求解方法
• 4.4.3 求解结果及分析
• 4.4.4 优化结论
• 4.5 锥齿轮式变桨距中心轴优化前后有限元分析对比
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录