【摘要】：隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片尺寸的增大,其柔度、質(zhì)量和受到的載荷也相應(yīng)增大。采用彎扭耦合設(shè)計(jì)的葉片在風(fēng)載荷作用下,彎曲的同時(shí)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形,從而改變?nèi)~片攻角,降低葉片承受的氣動(dòng)載荷。本文通過數(shù)值計(jì)算方法對(duì)葉片的彎扭耦合特性進(jìn)行了分析,并在此基礎(chǔ)上降低葉片質(zhì)量,這對(duì)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)大型化和降低發(fā)電成本具有重要意義。主要研究內(nèi)容及取得的結(jié)果如下:(1)在hGAST仿真平臺(tái)中對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行非線性時(shí)域氣動(dòng)彈性模擬。在多體動(dòng)力學(xué)框架下建立了風(fēng)機(jī)的整體模型�；谌~素動(dòng)量理論計(jì)算得到彎扭耦合葉片的氣動(dòng)載荷。根據(jù)IEC61400標(biāo)準(zhǔn)對(duì)風(fēng)機(jī)載荷工況的定義,計(jì)算葉根部位的極限載荷,為接下來做葉片輕量化設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。(2)大型風(fēng)力機(jī)葉片的截面和材料鋪層情況復(fù)雜,本文采用參數(shù)化設(shè)計(jì)語言APDL自底向上的建立了DTU 10 MW風(fēng)力機(jī)葉片的詳細(xì)三維有限元模型,提高了建模速度且可以更好的對(duì)其結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布進(jìn)行模擬。最后通過質(zhì)量和模態(tài)比較驗(yàn)證了模型的有效性。(3)通過改變梁帽的纖維鋪層角度使葉片具有彎扭耦合特性。在額定工況下,設(shè)定葉尖扭轉(zhuǎn)角度在2度到6度以0.5度的間隔變化,通過改變鋪層角度和耦合區(qū)域的組合,得到設(shè)定的葉尖扭轉(zhuǎn)角度,對(duì)葉片的彎扭耦合進(jìn)行評(píng)估。(4)在保證葉片強(qiáng)度的前提下,降低彎扭耦合葉片材料鋪層厚度,并觀察應(yīng)力的變化,從而實(shí)現(xiàn)葉片質(zhì)量和發(fā)電成本的降低。當(dāng)5度鋪層和10度鋪層葉片的材料鋪層厚度分別降低5%和9%時(shí),應(yīng)力曲線與非彎扭耦合葉片的應(yīng)力曲線擬合較好,相應(yīng)的,葉片質(zhì)量也分別下降了5%和9%。對(duì)減材后的葉片進(jìn)行了極限強(qiáng)度校核和模態(tài)校核,以確保減材后的葉片滿足極限強(qiáng)度要求且不會(huì)發(fā)生共振事故。本文的研究對(duì)大型風(fēng)力機(jī)的減載荷,輕量化設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義,并為實(shí)現(xiàn)葉片的大型化提供了可能性。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM315
【圖文】：

提高生產(chǎn)效率。氣動(dòng)彈性裁剪可以通過兩種方式實(shí)現(xiàn)，增大葉片入流角和減小葉片入流角，如圖1-2 所示。（a）減小入流角 （b）增大入流角圖 1-2 彎扭耦合響應(yīng)Lobitz[15]發(fā)現(xiàn)在失速控制型風(fēng)機(jī)上增大葉片入流角可以降低葉片的極限載荷，從而擴(kuò)大風(fēng)機(jī)的運(yùn)行風(fēng)速范圍，葉片尺寸在此基礎(chǔ)上也可以進(jìn)一步增大，提高發(fā)電效率。但是隨后發(fā)現(xiàn)這種方式會(huì)造成葉片的實(shí)際疲勞損傷和震顫失穩(wěn)[16]。因此最近的研究主要集中在通過減小入流角的方式實(shí)現(xiàn)葉片氣動(dòng)裁剪，因?yàn)槠鋵?duì)脈動(dòng)風(fēng)響應(yīng)迅速且可以有效緩解疲勞載荷[17]。Bottasso 等人[18]通過數(shù)值分析方法對(duì)比 2MW 風(fēng)機(jī)同時(shí)采用主動(dòng)和被動(dòng)減載荷裝置和單獨(dú)采用其中一種減載方式的減載效果，發(fā)現(xiàn)減小

圖 2-1 單層板的應(yīng)力[ ] = [ 11 12 16 12 22 26 16 26 66][ ] y方向上的正應(yīng)力分量， 為剪應(yīng)力 2 6 = 1 2 6)為材料剛度系數(shù)。沿 X 或 Y 主軸平行排布時(shí)，剛度系數(shù)向上的正應(yīng)力、應(yīng)變完全解耦。相反的變與 和 耦合或者與其中之一耦板施加沿主軸方向的拉力，如圖 2-2 所生剪切變形，如圖中虛線箭頭所示。

圖 2-1 單層板的應(yīng)力[ ] = [ 11 12 16 12 22 26 16 26 66][ ] 和 為x y方向上的正應(yīng)力分量， 為剪應(yīng)力； 和 為正。 ( = 1 2 6 = 1 2 6)為材料剛度系數(shù)。里的纖維沿 X 或 Y 主軸平行排布時(shí)，剛度系數(shù) 16和 26等與主軸方向上的正應(yīng)力、應(yīng)變完全解耦。相反的，如果纖維應(yīng)力、切應(yīng)變與 和 耦合或者與其中之一耦合。例如，給材料單層板施加沿主軸方向的拉力，如圖 2-2 所示。則該單時(shí)還會(huì)產(chǎn)生剪切變形，如圖中虛線箭頭所示。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 趙鶴翔;安利強(qiáng);周邢銀;王璋奇;;5MW風(fēng)力機(jī)葉片彎扭耦合特性分析[J];華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2013年04期

2 靳交通;潘利劍;彭超義;曾竟成;;風(fēng)力機(jī)葉片截面彎曲剛度有限元分析方法[J];太陽能學(xué)報(bào);2013年02期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 廖猜猜;極限載荷條件下的風(fēng)力機(jī)葉片鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D];中國科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所）;2012年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 陳棋;臺(tái)風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)研究[D];浙江大學(xué);2017年

本文編號(hào)：2804709