NPU新翼型的风力机叶片优化设计及其特性分析

论文摘要

风能作为一种可再生能源,在煤、石油和天然气等非可再生能源日益枯竭以及全世界对可持续发展要求的情况下,正越来越受到全世界的关注,风力发电技术也成为各国学者竞相研究的热点。本文对大型水平轴风力机的气动优化设计、载荷计算、固有特性和故障分析方面进行了研究。论文主要内容如下:基于国家863计划课题“风力机先进翼型族的设计与实验研究”（2007AA05Z448）,采用西北工业大学新设计的NPU-WA翼型族,基于风力机空气动力学中的基本理论—叶素动量理论,叶片优化设计理论和NPU-WA翼型族的气动特性,以桨叶各截面的弦长和扭角为设计变量,以风力机年输出功率最大为目标,建立水平轴风力机总体叶片优化设计方法,采用遗传算法进行寻优,设计出1.5MW风力发电机组的叶片。并考虑叶尖损失、轮毂损失、叶栅效应和轴向因子修正的影响,对设计叶片进行精确气动性能计算。将设计叶片与已有商业叶片进行对比,结果显示设计叶片气动性能优于已有叶片。进而也说明了新设计的WA翼型具有优越的气动性能。载荷计算是叶片结构分析的基础,叶片载荷对风机稳定性影响很大,通过对叶片的载荷分析,计算了在稳态风场和湍流风场中叶片所受载荷情况,同时按照IEC61400-1标准设定工况,计算出叶片根部的极限载荷。运用迭代法计算设计叶片的固有频率,同时从扭转角、转速和桨距角方面分析对叶片固有频率的影响。叶片在风载荷作用下,极易发生振动和弹性变形,气动阻尼在运动中扮演了非常重要的角色。针对实际运行中叶片刹车轴断裂故障,从气动阻尼方面进行分析。本文通过研究叶片截面气动阻尼特性,建立的风力机叶尖气动阻尼模型,重点考虑刹车过程中的气动阻尼变化情况,计算出叶尖刹车轴的气动阻尼,然后基于叶尖结构动力学运动方程,计算叶尖位移,从而判断叶尖刹车轴是否断裂。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 前言
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 全球风电的发展现状与预测
• 1.1.2 我国风电的发展现状与预测
• 1.1.3 风电制造技术的发展现状
• 1.1.4 本课题的意义
• 1.2 本文的主要工作
• 第2章 水平轴风力机的设计理论
• 2.1 水平轴风力机的气动设计理论
• 2.1.1 动量理论
• 2.1.2 叶素理论
• 2.1.3 叶素动量理论
• 2.1.4 叶素动量理论的修正
• 2.2 水平轴风力机的优化设计理论
• 2.2.1 Schmitz 方法
• 2.2.2 Glauert 优化设计
• 2.2.3 Wilson 优化设计
• 2.3 风力机的翼型理论
• 2.3.1 翼型空气动力学基础
• 2.3.2 传统风力机翼型
• 2.3.3 风力机专用专用翼型
• 2.3.4 NPU 新翼型
• 2.4 小结
• 第3章 叶片的优化设计及气动性能计算
• 3.1 叶片优化设计方法
• 3.1.1 最优化问题数学模型的构成
• 3.1.2 约束优化方法
• 3.1.3 气动优化设计的数学模型
• 3.2 1.5MW 水平轴风力机叶片的优化设计
• 3.3 气动性能计算方法
• 3.3.1 建立坐标系统
• 3.3.2 风剪与风速分量
• 3.3.3 计算模型
• 3.3.4 计算方法
• 3.4 1.5MW 叶片气动性能计算
• 第4章 叶片的载荷计算
• 4.1 风场理论
• 4.1.1 稳态风场
• 4.1.2 湍流风场
• 4.2 坐标系统的确立
• 4.3 载荷分析
• 4.3.1 叶片气动载荷
• 4.3.2 叶片的重力载荷
• 4.3.3 叶片的离心力载荷
• 4.4 叶片载荷计算
• 第5章 叶片的结构动力特性分析
• 5.1 叶片的固有特性分析
• 5.1.1 叶片固有频率和振型计算
• 5.1.2 影响叶片固有频率和振型的因素
• 5.2 叶片断裂故障分析
• 5.2.1 叶尖结构动力学模型
• 5.2.2 叶尖气动模型的建立
• 5.2.3 故障分析
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历