【摘要】： 近年來化石能源危機,環(huán)境危機使得可再生能源得到空前發(fā)展。風(fēng)能作為環(huán)保型,無窮無盡之能源,在20世紀(jì)80年代后進入了發(fā)展的黃金時期。中國作為能源消費大國,近年來風(fēng)電得到國家層面上的大力支持從而得到快速發(fā)展。但起步較晚使中國風(fēng)電技術(shù)與風(fēng)電發(fā)達國家差距很大,MW級以上風(fēng)電設(shè)備設(shè)計技術(shù)基本依賴進口,作為風(fēng)電機組關(guān)鍵部件之一的葉片尤其如此。本文在國家“十一五”科技支撐計劃項目(2006BAA01A09)支持下,根據(jù)現(xiàn)有進口葉片,著重對大型水平軸風(fēng)機葉片進行氣動性能計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了研究,取得如下成果: (1)風(fēng)輪氣動性能主要包括功率、軸力、轉(zhuǎn)矩以及其對應(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)輪葉片氣動性能計算模型,考慮風(fēng)輪實度(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,采用迭代法計算葉素誘導(dǎo)因子,編制matlab計算程序,分析了這些因素對風(fēng)輪氣動性能的影響。并在整個葉片翼展方向,對軸向誘導(dǎo)因子和周向誘導(dǎo)因子以及葉素功率分布進行了詳細(xì)分析。分析結(jié)果表明,風(fēng)輪實度、安裝角對功率影響顯著,錐角和傾角將會導(dǎo)致風(fēng)輪各項氣動性能下降。葉片寬度和厚度對風(fēng)輪氣動性能影響不大。 (2)完成了一整套利用有限元軟件對大型葉片進行校核分析的方法,摸索出了具有復(fù)雜氣動外形和內(nèi)部鋪層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料葉片建模的有效方法。并直接利用軟件對葉片各截面、各方向剛度進行近似計算,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)件剛度的計算。對葉片動力行為模態(tài)進行了理論上的探討,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)對葉片設(shè)計的關(guān)鍵之一,結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計進行了研究,建立了大型葉片初步結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論方法。葉片采用分段原則,以葉片揮舞方向極限彎矩為設(shè)計載荷,綜合運用前人總結(jié)的經(jīng)驗公式,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,對現(xiàn)有750KW葉片在結(jié)構(gòu)鋪層上進行重新設(shè)計研究。研究表明,理論設(shè)計不是最終設(shè)計,前面的有限元校核分析,修正將起到十分重要的作用。通過對比分析,本文對750KW葉片的結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計比較合理,在葉片重量、揮舞方向剛度、葉尖撓度均占優(yōu)勢,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)件的增強材料,研究了葉片彎扭耦合設(shè)計的可行性。首先對葉片彎扭設(shè)計進行了參數(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)值分析兩個方面估算α可能的取值范圍。進行彎扭耦合設(shè)計可以從幾個方面進行,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。對彎扭耦合設(shè)計后的葉片整體性能進行了分析,并與本文新設(shè)計的葉片結(jié)構(gòu)進行了對比分析,研究表明,運用彎扭耦合設(shè)計理念,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,同時也顯示了碳纖維運用到葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計中的潛力。
【圖文】：

Fig.1.2GlobalannualinstalledeaPaeity1996一2007據(jù)全球風(fēng)能理事會發(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，新增裝機容量達20GW，t匕2006年多SGW，增幅達到33%。如圖1.3所示，德國、美國、西班牙、印度、中國是裝機總?cè)萘壳?位國家，而2007年全球新增風(fēng)電裝機容量排名前五位的國家是:美國(5244MW)、西班牙(3522Mw)、中國(3449MW)、印度(1730MW)、德國(1667MW)。在全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展過程中，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)電裝機容量在在2010年要達到4000萬KW，而到2005年底，歐洲實際裝機容量已經(jīng)達到4090.4萬KW，提前5年實現(xiàn)了2010年裝機目標(biāo)。根據(jù)歐洲風(fēng)能

葉片設(shè)計是一個大的工程，，從大的方面來講葉片設(shè)計包含兩個部分[s8l:氣動設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計。這里面涉及到空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、材料力學(xué)、材料工程以及成型工藝等學(xué)科。圖1.5是氣動和結(jié)構(gòu)設(shè)計所需要的參數(shù)。蘊蘊蘊蘊蘊蘊蘊蘊蘊蘊蘊蘊蘊蘊蘊蘊蘊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)計所需參數(shù) Fig.1.5ParametersforBladeDesign1.3.2.1葉片用材料材料的選擇對于葉片設(shè)計至關(guān)重要。在過去的20多年里，隨著風(fēng)機葉片朝著輕量化，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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號】：TK83

【引證文獻】

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本文編號：2651660