竖轴风力机的气动载荷及动力特性分析

论文摘要

近年来,随着风力发电机的大规模发展和其技术的进一步成熟,竖轴风力发电机以其不同于水平轴风力发电机的结构和性能优势日益受到了的各国的广泛关注。竖轴风力机成为了未来风力发展的主要研究方向之一,本文对其总体及各部件的结构形式,气动载荷的计算,动力学特性分析三方面进行研究。利用空气动力学理论对叶轮的气动载荷进行预报是风机设计和风机动力学分析的基础。本文主要介绍了单盘面多流管模型和双盘面多流管模型,并利用单盘面多流管模型对竖轴风力机叶轮进行了气动载荷计算并总结了变化规律。在动力学特性分析方面,考虑旋转叶片动力刚化效应分别对叶片,转子系统和整体风机进行了模态分析,得到动力刚化效应对风机的影响。并根据转速与频率的关系绘制叶片和整机的坎贝尔图,得到共振点,为确定风机是否出现共振及出现共振的频率和阶次、激励源和共振转速提供参考依据。在额定转速下考虑叶片在气动载荷作用下进行风机的瞬态动力学响应分析,得到相应的位移响应曲线,为以后风机的结构强度设计和疲劳分析奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.2 风机类型及其技术发展趋势
• 1.3 风力机结构动力学的理论发展
• 1.3.1 柔性多体系统动力学概述
• 1.3.2 柔性多体系统研究的几个阶段
• 1.3.3 关于动力刚化的研究现状
• 1.3.4 柔性多体系统动力学在风机上的应用
• 1.4 本文主要内容
• 第2章 风机的总体结构和特点
• 2.1 总体结构形式
• 2.2 风机叶轮
• 2.2.1 Troposkien曲线
• 2.2.2 叶轮形式
• 2.2.3 叶片结构
• 2.2.4 叶片材料
• 2.3 拉索
• 2.3.1 拉索的布置
• 2.3.2 拉索的特点
• 2.4 风机整体结构特点
• 2.4.1 风机整体结构的非线性
• 2.4.2 风机整体结构的风效应
• 2.5 本章小结
• 第3章 竖轴风机叶轮的气动载荷计算
• 3.1 竖轴风机气动载荷预报的理论研究进展
• 3.2 风机叶轮的运动与受力分析
• 3.2.1 叶片运动定义
• 3.2.2 叶片受力分析
• 3.3 流管模型
• 3.3.1 动量定理
• 3.3.2 单盘面多流管模型
• 3.3.3 双盘面多流管模型
• 3.4 叶片的气动载荷
• 3.4.1 静止状态下叶片切向力
• 3.4.2 静止状态下叶片法向力
• 3.4.3 额定转速下叶片切向力
• 3.4.4 额定转速下叶片法向力
• 3.5 本章小结
• 第4章 风力发电机组静止状态的动力特性分析
• 4.1 基于有限元法的模态分析
• 4.1.1 有限元法在振动模态分析中的应用
• 4.1.2 简支梁横振动的有限元法分析
• 4.2 有限元模型的建立
• 4.3 叶片的振动动力特性
• 4.4 转子系统的振动动力特性
• 4.5 转子-拉索系统的振动动力特性
• 4.5.1 转子-拉索系统的固有频率
• 4.5.2 转子-拉索系统固有频率与拉索参数的关系
• 4.6 风机的振动测试
• 4.6.1 测试方法与结果
• 4.6.2 计算值与实验测量值的比较
• 4.7 本章小结
• 第5章 风力发电机组运转状态的动力特性分析
• 5.1 旋转梁的动力刚化分析
• 5.2 旋转叶片的振动动力分析
• 5.3 转子系统的振动动力分析
• 5.4 转子-拉索系统的振动动力分析
• 5.5 瞬态动力学响应分析
• 5.5.1 瞬态动力学分析的定义
• 5.5.2 气动载荷的加载
• 5.5.3 瞬态动力学响应结果分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录A 杆单元LINK10