水平轴风电机组叶片载荷分析及结构动力特性分析

【摘要】：叶片作为风电机组的核心部件之一,承受外部环境的复杂载荷。随着风电机组的大型化发展,叶片的重量和尺寸也将会增加。因此叶片的载荷和结构动力特性问题十分重要,不仅制约着风电机组的发展,而且影响着风电机组的稳定性和使用寿命。 研究分析了叶片设计的基本模型,研究了叶片设计的方法和基本步骤,采用目前最成熟的Wilson设计模型,并选取技术比较成熟的1.5MW风电机组进行了叶片的自主设计,包括叶片长度的选取、翼型的选择、叶片各截面翼型弦长和安装角的确定以及沿叶展翼型的合理布置。其中翼型选择的是NACA系列的十个翼型。 根据国际电工委员会标准IEC61400-1,研究分析了叶片的三类载荷类型和两类八种设计载荷工况,通过Bladed模拟10分钟的正常风况和极端风况,计算极限载荷工况和疲劳载荷工况,并与现有1.5MW叶片的实际功率和风能利用系数进行了对比分析,为后续的研究和后人的工作提供数据和参考。 研究分析了叶片的实体建模方法。根据翼型数据以及叶片的几何参数,使用Excel进二维坐标转换成三维坐标,然后编辑一个ibl文件,最后根据轮廓线建立叶片的模型。 研究分析叶片的有限元分析方法,并得出叶片的动力特性。包括导入叶片的几何模型、建立合理的有限元网格模型、施加载荷和边界条件。通过有限元分析得到叶片的前四阶固有频率和振型,为今后的设计研究提供参考。 【关键词】：风电机组 叶片 载衙 有限元分析
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK83
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 风力发电9-12
• 1.1.1 国外风电发展现状9-11
• 1.1.2 国内风电发展现状11-12
• 1.2 研究现状12-14
• 1.2.1 风电机组叶片载荷分析的研究现状12-13
• 1.2.2 风电机组叶片结构动力学研究现状13-14
• 1.3 研究意义14-15
• 1.4 工作内容15-16
• 第2章 风电机组叶片气动设计16-31
• 2.1 风电机组叶片设计基本模型16-24
• 2.1.1 简化设计模型16
• 2.1.2 Schmitz设计模型16-17
• 2.1.3 Glauert设计模型17-22
• 2.1.4 Wilson设计模型22-23
• 2.1.5 几种模型的比较分析23-24
• 2.2 叶片气动设计24-25
• 2.2.1 设计风速24
• 2.2.2 风轮直径24-25
• 2.3 叶片重要参数选取25-28
• 2.3.1 尖速比λ_0和额定转速25-26
• 2.3.2 叶片数B26
• 2.3.3 翼型和升阻比26-28
• 2.4 叶片展向形状设计28-29
• 2.4.1 叶片展向翼型布置28
• 2.4.2 叶片展向翼型几何参数确定28-29
• 2.5 本章小节29-31
• 第3章 风电机组叶片的载荷分析31-63
• 3.1 坐标系的说明31-32
• 3.1.1 叶片坐标系31
• 3.1.2 风轮坐标系31-32
• 3.2 叶片的载荷类型32-35
• 3.2.1 空气动力载荷32-33
• 3.2.2 重力载荷33-34
• 3.2.3 惯性力载荷34-35
• 3.3 叶片的设计载荷工况35-41
• 3.3.1 IEC设计风况36-39
• 3.3.2 IEC设计工况39-41
• 3.4 叶片的载荷计算41-56
• 3.4.1 极限载荷工况42-44
• 3.4.2 疲劳载荷工况44-46
• 3.4.3 极限载荷计算结果46-51
• 3.4.4 疲劳载荷计算结果51-56
• 3.5 计算结果分析与讨论56-62
• 3.6 本章小节62-63
• 第4章 风电机组叶片的结构动力分析63-70
• 4.1 有限元法的基本理论63-64
• 4.1.1 有限元法的基本思想63
• 4.1.2 具体分析步骤63-64
• 4.2 叶片的实体模型64-66
• 4.2.1 叶片空间坐标求解64-65
• 4.2.2 叶片实体造型65-66
• 4.3 叶片的有限元分析66-68
• 4.3.1 建立有限元网格模型66-68
• 4.3.2 设置材料属性68
• 4.3.3 边界条件施加68
• 4.4 计算分析结果68-69
• 4.5 本章小节69-70
• 第5章 结论与展望70-72
• 5.1 全文总结70
• 5.2 研究展望70-72
• 参考文献72-75
• 在校期间发表论文和参加科研情况75-76
• 致谢76

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