1.0MW水平轴风力机叶片设计研究

论文摘要

风能利用技术的快速发展已使风能成为目前最重要的一种可再生能源。现有的风能转化系统大部分将风能通过风力机装置转化为机械能,然后通过电机转化为电能,水平轴风力机是风能利用最主要的形式,而叶片是其关键部件之一。随着大型水平轴风力机的广泛使用,叶片的外形设计和气动性能研究受到广泛的关注。叶片的气动外形决定风轮的转换效率,因而叶片外形设计在风力机设计中占有举足轻重的地位。因此很有必要对水平轴风力机叶片的设计技术进行研究,这些工作对于我国风电产业自主研发的发展具有积极意义。本文重点研究1.0MW水平轴风力机的叶片设计和叶片以及风轮的动特性,所做的主要工作和相关结论如下:①研究了风力机叶片设计的基本理论。②通过对多种设计方案的分析对比,Wilson叶片设计方法是目前风力机叶片设计较为准确且运用最为广泛的设计方法。本文按照Wilson法优化设计风力机叶片几何外形,确定优化设计数学模型以及约束条件,以MATLAB为工具计算叶片外形各参数,综合Wilson方法考虑叶片梢部损失、根部损失和轴向、周向干扰因子对叶片空气动力学性能的影响,大大提高了叶片的设计精度和设计计算效率,并对计算结果进行线性化修正处理。③本文通过坐标变换原理将翼型二维离散数据点转换成叶片三维空间坐标点,另外本文在坐标变换过程中结合图形学,将坐标的旋转变换转化到绘图过程中实现,为翼型坐标转换提供新思路。④基于UG的自由曲面造型功能,采用三次B样条拟合方式绘制叶片各截面的空间样条曲线,对风力机叶片进行参数化建模,并对所建立的叶片实体模型进行处理,使得在翼型过渡段的叶片表面光顺性较好,过渡平滑;本文还对叶片及风轮进行模态分析,发现单个叶片的动特性与风力机风轮的动特性有所区别,旋转风轮中各叶片变形间相互影响并与轮毂弹性变形成为一个耦合系统,其固有频率相对于单叶片有较大幅度降低,因此在大型风力机设计过程中不能以叶片的动特性代替整个风轮的动特性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 风力发电的发展现状
• 1.2.1 风力发电机组介绍
• 1.2.2 风力发电机的结构和组成
• 1.2.3 国内外风力发电的发展现状
• 1.3 风力机叶片设计研究现状
• 1.4 本文研究内容
• 2 风轮空气动力学理论
• 2.1 制动桨盘概念
• 2.2 动量理论
• 2.2.1 动量理论
• 2.2.2 风能利用系数
• 2.2.3 贝兹极限
• 2.3 叶素理论
• 2.4 叶素-动量理论
• 2.5 涡流理论
• 2.6 本章小结
• 3 风力机叶片设计计算
• 3.1 风轮设计的总体参数
• 3.2 风轮总体参数确定
• 3.3 风力机叶片翼型
• 3.3.1 插值方法获得过渡翼型
• 3.3.2 翼型阻力
• 3.3.3 翼型升力
• 3.3.4 NACA63-415 翼型升力阻力变化特性
• 3.4 风力机叶片的气动外形设计
• 3.4.1 Wilson 叶片设计模型
• 3.4.2 Wilson 叶片设计模型约束条件
• 3.4.3 叶片外形设计目标
• 3.4.4 Wilson 叶片设计方法的计算步骤
• 3.5 MATLAB 求解叶片外形数据
• 3.5.1 程序设计中利用MATLAB 解决的关键问题
• 3.5.2 MATLAB 计算流程图
• 3.5.3 MATLAB 计算程序编写
• 3.5.4 叶片外形数据处理
• 3.6 叶片各截面空间坐标求解
• 3.7 叶片设计计算结果
• 3.8 本章小结
• 4 风力机叶片三维建模及模态分析
• 4.1 风力机叶片三维建模
• 4.1.1 绘制叶片各截面曲线
• 4.1.2 叶片外形三维图
• 4.1.3 叶片曲面分析
• 4.2 风力机三维模型
• 4.3 风力机叶片模态分析
• 4.3.1 叶片有限元动力特性方程
• 4.3.2 叶片有限元模型的建立
• 4.3.3 玻璃钢/复合材料力学特性
• 4.3.4 约束条件和模态方程求解
• 4.4 1.0MW 水平轴风力机叶片模态分析结果
• 4.5 1.0MW 风力机风轮振动模态数值分析
• 4.6 本章小结
• 5 总结及展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文