风力发电机叶片三维建模及有限元动力学分析

论文摘要

随着环境问题的日益突出,能源供应的渐趋紧张,对可再生能源的开发利用,尤其是对风能的开发利用已受到世界各国的高度重视;本文论述了风力发电的优势及风力发电产业在中国的发展及现状,并结合风机叶片的结构和运行工况进行了以下方面的探讨及研究。首先,介绍了风机的基本工作原理及风机叶片的结构尺寸参数,根据风机气动相关理论,进行叶素的空气动力学特性分析,给出叶片气动力的计算表达式,并分析了影响气动参数的外部因素。其次,结合现有几种风机叶片设计模型,采用了NACA4412翼型,利用Matlab进行了叶展形状设计,对设计参数进行曲线拟合,得到了叶展参数的拟合函数,并对每种模型计算结果进行比较,分别得出了应用范围较广的弦长和扭角计算公式,可缩短设计过程,提高设计效率。再次,基于叶片翼型计算数据,进行了叶片截面离散点坐标变换,并用三维造型软件Solidworks对叶片进行了三维建模,为后续动力学分析奠定了基础。最后,利用Profili气动分析软件,研究了翼型NACA4412边界层的分离流动特性和绕流特性,得出了翼型的特性曲线,分析了翼型厚度、弯度等参数对翼型升阻特性的影响。然后采用ANSYS有限元计算软件对750kw风机叶片模型进行振动模态和静应力分析,计算了叶片的固有频率、各阶振型图以及应力、应变云图,为避免叶片发生共振、提高叶片使用寿命提供了分析方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 风力发电机组技术发展动向和现状
• 1.2.1 国外风电技术发展现状
• 1.2.2 国内风电技术发展现状
• 1.2.3 风电技术的发展趋势和前景
• 1.3 本课题的研究内容及意义
• 2 风力机基本概念及原理
• 2.1 风力机的型式和特点
• 2.1.1 水平轴风力机
• 2.1.2 垂直轴风力机
• 2.2 翼型的几何参数和结构
• 2.3 翼型的空气动力学特性
• 2.3.1 作用在叶片上的气动力
• 2.3.2 升力和阻力系数的变化曲线
• 2.3.3 叶素的气动特性分析
• 2.4 本章小结
• 3 风力机基础理论
• 3.1 贝兹（Betz）理论
• 3.2 简化理论
• 3.3 涡流理论
• 3.3.1 风轮的涡流系统
• 3.3.2 诱导速度的确定
• 3.3.3 轴向推力和转矩的计算
• 3.3.4 当地功率系数
• 3.3.5 考虑叶片阻力的当地功率系数和最佳攻角
• 3.4 Willson理论
• 3.5 本章小结
• 4 风机叶片的设计及三维建模
• 4.1 特征风速的描述和估算
• 4.1.1 风速的数学表达式
• 4.1.2 特征风速的估算
• 4.2 风力机叶片设计方案
• 4.2.1 叶片设计的重要参数
• 4.2.2 叶片直径计算模型
• 4.2.3 叶展形状设计模型
• 4.3 风力机叶片设计
• 4.3.1 叶片参数计算
• 4.3.2 叶片叶展设计
• 4.3.3 叶展参数曲线拟合及修正
• 4.4 叶片三维建模
• 4.4.1 坐标几何变换
• 4.4.2 基于Solidworks的叶片绘制
• 4.5 本章小结
• 5 叶片气动性能有限元分析
• 5.1 风机叶片的气动性能指标
• 5.2 叶片的气动性能计算
• 5.3 叶片翼型流场数值模拟
• 5.4 叶片有限元动力学分析
• 5.4.1 叶片模型建立及其网格划分
• 5.4.2 叶片静力有限元分析
• 5.4.3 叶片振动模态分析
• 5.6 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 本文结论
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 硕士期间发表的论文