大型风力机叶片的振动分析与优化设计

论文摘要

研究叶片的气动性能对风力机叶片的设计意义重大。本文以风力机叶片为研究对象，首先用三维建模软件建立叶片的模型，在风机额定工况下对叶片进行了动态特性分析和模态分析，求解了叶片的前七阶振型和固有频率，这为实际设计和制造风机叶片提供了参考。为比较升力系数和阻力系数在翼型结冰和无冰两种状态下的变化趋势，文中采用CFD计算方法对叶片的气动性能进行了仿真，分析结果得知，升力系数受结冰影响较大，相比之下，阻力系数所受影响有限；雷诺数对升阻力系数影响也有限；叶片结冰对流场影响很大，叶片压力突变，尾流涡旋提前发生，这是结冰改变翼型外形，导致流场不对称所致。通过本文研究，为叶片设计者提供了理论参考，同时，也提供了风机叶片的分析的新思路。其次，介绍了基于模糊神经网络的风力机叶片故障识别方法，该方法根据风力机叶片振动频谱图的各个频段范围，对叶片是否发生故障进行诊断。实验结果表明，该方法可以对风力机叶片结冰、裂纹、点蚀、磨损等故障进行有效地识别，识别准确率均达到90%以上。最后，提出了风力机叶片的优化设计模型，该模型以动量—叶素理论为基础，根据作用在风力机叶片上的气动力，以风力机叶片每段的年能量输出最大为设计目标，使用遗传算法进行寻优搜索。利用开发的优化设计程序，针对特定风场设计截面的最佳弦长和扭角。仿真结果表明，采用改进的遗传算法在对风力机叶片在扭角值基本吻合的前提下，各种气动性能均较为理想。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题研究背景及意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 风力机叶片设计
• 1.3.2 风力机叶片气动特性研究
• 1.3.3 风力机优化设计研究现状
• 1.4 风力机叶片故障诊断
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 风力机叶片基本概念及相关理论
• 2.1 水平轴风力机
• 2.2 翼型的几何参数和及相关概念
• 2.3 翼型的空气动力学特性
• 2.3.1 叶片的气动特性与结构
• 2.3.2 攻角和雷诺数对升力系数和阻力系数的影响
• 2.3.3 叶素的气动特性及风能利用率
• 2.4 风力机基础理论
• 2.4.1 贝兹理论
• 2.4.2 涡流理论
• 2.4.3 Wi1lson 理论
• 2.5 流固耦合理论
• 2.6 本章小结
• 第三章 风力机叶片仿真分析及结冰对叶片的气动影响
• 3.1 风力机叶片仿真分析
• 3.1.1 叶片基本参数及几何数据
• 3.1.2 叶片各剖面翼型空间坐标的确定
• 3.1.3 基于 PROE 的叶片三维实体模型构建
• 3.1.4 计算额定风速时叶片强度
• 3.1.5 结果分析与评价
• 3.1.6 叶片模态分析
• 3.1.7 结果分析
• 3.2 翼型结冰对叶片气动性能的影响
• 3.2.1 网格划分
• 3.2.2 流场方程
• 3.2.3 结冰对叶片气动影响结果分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于模糊神经网络的风力机叶片振动诊断研究
• 4.1 风力机叶片的常见故障分析
• 4.2 模糊神经网络
• 4.2.1 模糊神经网络概述
• 4.2.2 模糊神经网络模型的结构
• 4.2.3 模糊神经网络模型的学习算法
• 4.3 风力机叶片的振动检测
• 4.3.1 叶片的振动检测过程
• 4.3.2 叶片振动信号的频谱分析
• 4.4 基于模糊神经网络的风力机叶片故障诊断
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于遗传算法的风力机翼型设计
• 5.1 遗传算法简介
• 5.1.1 遗传算法的基本定义
• 5.1.2 遗传算法的特点
• 5.1.3 遗传算法的基本步骤
• 5.1.4 改进的遗传算法
• 5.2 优化设计模型
• 5.2.1 适应度函数的确定
• 5.2.2 优化设计的边界条件
• 5.2.3 优化设计程序
• 5.3 优化设计实例
• 5.3.1 设计参数
• 5.3.2 设计叶片的实用性分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢