基于立轴风力机叶片的气动弹性分析

论文摘要

随着经济的持续发展和科技的进步,能源危机的阴影正日益困扰着人类的生产和生活,并已在全球范围内造成了严重的环境污染和生态环境恶化等问题。作为一种重要的可再生能源,风能的开发和利用在新能源研究中一直被广泛关注。经过多年的不懈努力,我国大型风力发电机组的研制有了很大的进步,但仍将需较长时间的不断探索。作为风力机重要的组成部分,叶片是受力最为复杂、最为难以设计的风力机构件。作为弹性体,叶片在气流作用下可能产生变形或运动,而叶片的变形或运动反过来又影响气动力的大小,从而改变气流对叶片表面的载荷大小和分布。这样结构在气动力、惯性力和弹性力耦合作用下可能变成不稳定,以致于影响风力机的正常工作,甚至会造成部件及整机损坏的严重后果。因此,风力机气动弹性问题是关系到风力机正常运行安全性和可靠性的重要问题。本文运用空间梁单元理论建立起立轴风力机的有限元模型,考虑叶片所受到的非定常气动力和力矩,从而建立起整个风力机的气动弹性方程。利用振动力学的基本理论,得到Theodorsen非定常气动力计算模型基于ANSYS软件中的单元Matrix27的一种实现方法。通过参数化语言APDL实现对不可压缩流中简单悬臂梁模型的气动弹性分析,并与该模型在MSC.FlightLoads软件中的计算结果进行对比,以验证该方法的合理性。最后,以1MW立轴风力机为例来进行气动弹性稳定性分析,分析得到该结构的动态特性参数,然后跟踪该结构的参与模态随着转速增加的变化情况,并作出结构参与模态的复特征值随转速变化的曲线图。依据气动弹性稳定性判据,获得立轴风力机气动弹性稳定性的临界转速,为立轴风力机的初步设计提供有价值的参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 风力发电的国内外发展现状及前景
• 1.2.1 风力发电介绍
• 1.2.2 风力机的国外发展现状及前景
• 1.2.3 风力机的国内发展现状及前景
• 1.3 本文研究的目的和意义
• 1.4 本文研究的主要内容
• 2 立轴风力机气动弹性分析方法
• 2.1 立轴风力机气动弹性方程的建立
• 2.2 气动弹性方程的一般解法
• 2.3 风力机气动弹性稳定性判据
• 2.3.1 能量法判据
• 2.3.2 特征值判据
• 2.4 本章小结
• 3 非定常气动力的计算模型
• 3.1 基于势流理论的THEODORSEN 非定常气动力
• 3.2 非定常气动力在ANSYS 软件中的运用
• 3.2.1 单元Matrix27 概述
• 3.2.2 简谐振动及表示方法
• 3.2.3 非定常气动力在ANSYS 软件中的具体实现
• 3.3 参数化语言APDL 及气动弹性分析流程
• 3.4 本章小结
• 4 悬臂梁的气动弹性分析
• 4.1 MSC.FLIGHTLOADS 软件介绍
• 4.1.1 概述
• 4.1.2 FlightLoads 软件在颤振分析中的运用
• 4.2 悬臂梁有限元模型及数值分析
• 4.2.1 结构与空气动力模型
• 4.2.2 模型在FlightLoads 软件中气动弹性分析结果
• 4.2.3 模型在ANSYS 软件中气动弹性分析结果
• 4.2.4 计算结果分析
• 4.3 本章小结
• 5 1MW 立轴风力机叶片的气动弹性分析
• 5.1 立轴风力机的参数化有限元模型
• 5.1.1 立轴风力机的几何模型
• 5.1.2 相关气动和材料参数选择
• 5.1.3 立轴风力机风轮的有限元模型
• 5.2 立轴风力机叶片气动弹性稳定性分析
• 5.2.1 立轴风力机叶片的非定常气动载荷
• 5.2.2 风轮动态特性的数值分析
• 5.2.3 气动弹性稳定性的数值分析
• 5.3 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录