【摘要】： 近年來(lái)化石能源危機(jī),環(huán)境危機(jī)使得可再生能源得到空前發(fā)展。風(fēng)能作為環(huán)保型,無(wú)窮無(wú)盡之能源,在20世紀(jì)80年代后進(jìn)入了發(fā)展的黃金時(shí)期。中國(guó)作為能源消費(fèi)大國(guó),近年來(lái)風(fēng)電得到國(guó)家層面上的大力支持從而得到快速發(fā)展。但起步較晚使中國(guó)風(fēng)電技術(shù)與風(fēng)電發(fā)達(dá)國(guó)家差距很大,MW級(jí)以上風(fēng)電設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)基本依賴進(jìn)口,作為風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件之一的葉片尤其如此。本文在國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2006BAA01A09)支持下,根據(jù)現(xiàn)有進(jìn)口葉片,著重對(duì)大型水平軸風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行氣動(dòng)性能計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究,取得如下成果: (1)風(fēng)輪氣動(dòng)性能主要包括功率、軸力、轉(zhuǎn)矩以及其對(duì)應(yīng)的功率系數(shù)、軸力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù),本文采用葉素動(dòng)量理論,結(jié)合前人研究成果,建立了較完善的風(fēng)輪葉片氣動(dòng)性能計(jì)算模型,考慮風(fēng)輪實(shí)度(葉片數(shù))、安裝角、錐角、傾角以及葉片寬度、厚度,風(fēng)輪偏航等因素,采用迭代法計(jì)算葉素誘導(dǎo)因子,編制matlab計(jì)算程序,分析了這些因素對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)性能的影響。并在整個(gè)葉片翼展方向,對(duì)軸向誘導(dǎo)因子和周向誘導(dǎo)因子以及葉素功率分布進(jìn)行了詳細(xì)分析。分析結(jié)果表明,風(fēng)輪實(shí)度、安裝角對(duì)功率影響顯著,錐角和傾角將會(huì)導(dǎo)致風(fēng)輪各項(xiàng)氣動(dòng)性能下降。葉片寬度和厚度對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)性能影響不大。 (2)完成了一整套利用有限元軟件對(duì)大型葉片進(jìn)行校核分析的方法,摸索出了具有復(fù)雜氣動(dòng)外形和內(nèi)部鋪層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料葉片建模的有效方法。并直接利用軟件對(duì)葉片各截面、各方向剛度進(jìn)行近似計(jì)算,與理論值吻合良好,表明該方法可行、有效。與理論法相比,該方法簡(jiǎn)便易行,特別適合非規(guī)則截面復(fù)合材料構(gòu)件剛度的計(jì)算。對(duì)葉片動(dòng)力行為模態(tài)進(jìn)行了理論上的探討,推導(dǎo)出了葉片自振頻率的估算公式,模態(tài)分析表明葉片第一階模態(tài)發(fā)生在揮舞方向,第二階發(fā)生在擺振方向,高階模態(tài)逐漸復(fù)雜化,呈現(xiàn)出混合振型形式。應(yīng)變的校核分析表明,葉片主要在葉根和最大弦長(zhǎng)處有較大應(yīng)變值。在穩(wěn)定性分析中,發(fā)現(xiàn)葉尖區(qū)域是葉片可能發(fā)生失穩(wěn)的一部分。 (3)對(duì)葉片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一,結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究,建立了大型葉片初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論方法。葉片采用分段原則,以葉片揮舞方向極限彎矩為設(shè)計(jì)載荷,綜合運(yùn)用前人總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式,以及經(jīng)典層合板理論和Euler-Bernoulli梁理論,在外形不變的前提下,對(duì)現(xiàn)有750KW葉片在結(jié)構(gòu)鋪層上進(jìn)行重新設(shè)計(jì)研究。研究表明,理論設(shè)計(jì)不是最終設(shè)計(jì),前面的有限元校核分析,修正將起到十分重要的作用。通過(guò)對(duì)比分析,本文對(duì)750KW葉片的結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計(jì)比較合理,在葉片重量、揮舞方向剛度、葉尖撓度均占優(yōu)勢(shì),僅在穩(wěn)定性方面不如原有葉片。 (4)在主梁上用碳纖維材料替代玻璃纖維作為葉片主要承載構(gòu)件的增強(qiáng)材料,研究了葉片彎扭耦合設(shè)計(jì)的可行性。首先對(duì)葉片彎扭設(shè)計(jì)進(jìn)行了參數(shù)化研究,建立控制彎扭耦合的主要參數(shù)α,從理論和數(shù)值分析兩個(gè)方面估算α可能的取值范圍。進(jìn)行彎扭耦合設(shè)計(jì)可以從幾個(gè)方面進(jìn)行,比如幾何外形上,或者將材料主軸與主受力方向成一角度。本文采用后者,在主梁將碳纖維主軸與主受力方向成0°、10°、15°和20°角。對(duì)彎扭耦合設(shè)計(jì)后的葉片整體性能進(jìn)行了分析,并與本文新設(shè)計(jì)的葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析,研究表明,運(yùn)用彎扭耦合設(shè)計(jì)理念,葉片結(jié)構(gòu)性能在幾乎所有方面都有了提高,這表明彎扭耦合的巨大意義,同時(shí)也顯示了碳纖維運(yùn)用到葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的潛力。
【圖文】：

Fig.1.2GlobalannualinstalledeaPaeity1996一2007據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)發(fā)布的信息，2007年是世界風(fēng)電產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的一年，新增裝機(jī)容量達(dá)20GW，t匕2006年多SGW，增幅達(dá)到33%。如圖1.3所示，德國(guó)、美國(guó)、西班牙、印度、中國(guó)是裝機(jī)總?cè)萘壳?位國(guó)家，而2007年全球新增風(fēng)電裝機(jī)容量排名前五位的國(guó)家是:美國(guó)(5244MW)、西班牙(3522Mw)、中國(guó)(3449MW)、印度(1730MW)、德國(guó)(1667MW)。在全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展過(guò)程中，歐洲風(fēng)電一直處于領(lǐng)先地位。按照歐洲前幾年制定的發(fā)展規(guī)劃，風(fēng)電裝機(jī)容量在在2010年要達(dá)到4000萬(wàn)KW，而到2005年底，歐洲實(shí)際裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到4090.4萬(wàn)KW，提前5年實(shí)現(xiàn)了2010年裝機(jī)目標(biāo)。根據(jù)歐洲風(fēng)能

葉片設(shè)計(jì)是一個(gè)大的工程，，從大的方面來(lái)講葉片設(shè)計(jì)包含兩個(gè)部分[s8l:氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這里面涉及到空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、材料力學(xué)、材料工程以及成型工藝等學(xué)科。圖1.5是氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需要的參數(shù)。蘊(yùn)蘊(yùn)蘊(yùn)蘊(yùn)蘊(yùn)蘊(yùn)蘊(yùn)蘊(yùn)蘊(yùn)蘊(yùn)蘊(yùn)蘊(yùn)蘊(yùn)蘊(yùn)蘊(yùn)蘊(yùn)蘊(yùn)簇鑫鑫扮扮扮扮扮扮扮篡麒蘸鴦、 、、 、贏贏蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸蘸 蘸 lllllll瓤蓄瞬瓣i瓣黯鑫慧癲纓肇鑫鑫鑫鑫鑫鑫鑫圖1.5葉片設(shè)計(jì)所需參數(shù) Fig.1.5ParametersforBladeDesign1.3.2.1葉片用材料材料的選擇對(duì)于葉片設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在過(guò)去的20多年里，隨著風(fēng)機(jī)葉片朝著輕量化，大型化發(fā)展，葉片用材料也經(jīng)歷了從鋼材，鋁到復(fù)合材料的過(guò)程。葉片越輕，則慣性力越小，而葉片在其壽命期間，由慣性力產(chǎn)生的疲勞載荷將是葉
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號(hào)】：TK83

【引證文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2651660