風(fēng)能是一種清潔無污染、可再生、儲(chǔ)存廣泛的可再生能源。風(fēng)能的利用越來越廣泛。近30年來,風(fēng)力發(fā)電是其中發(fā)展最快的一個(gè)領(lǐng)域,風(fēng)電技術(shù)在理論研究和應(yīng)用方面都得到了巨大發(fā)展。風(fēng)機(jī)功率從以前的百瓦級逐漸發(fā)展到現(xiàn)在的兆瓦級。隨著功率的不斷增大,傳統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)方法不能完全滿足大功率風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)上的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。葉片是風(fēng)力機(jī)的核心部件,葉片的設(shè)計(jì)直接影響到風(fēng)力機(jī)能否安全可靠運(yùn)行和功率穩(wěn)定的輸出。尋求更好的設(shè)計(jì)方法并不斷優(yōu)化才能設(shè)計(jì)出性能更好的風(fēng)力機(jī)葉片。此外,風(fēng)力機(jī)葉片作為一彈性結(jié)構(gòu),作用在葉片上的載荷具有交變性和隨機(jī)性,因而發(fā)生振動(dòng)是必然的。而振動(dòng)問題直接關(guān)系到風(fēng)力機(jī)能否穩(wěn)定可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。因此對其振動(dòng)特性,即模態(tài)很有必要進(jìn)行研究。為此,本文主要對1MW風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行了設(shè)計(jì)并對葉片的模態(tài)進(jìn)行了分析。論文的主要研究內(nèi)容如下:1.風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)在風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上,根據(jù)風(fēng)力機(jī)的某些參數(shù)如額定功率、額定風(fēng)速、風(fēng)能利用系數(shù)可計(jì)算出其他參數(shù)如葉片直徑等。對于葉片的某些氣動(dòng)參數(shù),如弦長、扭角等參數(shù)需要用到設(shè)計(jì)法計(jì)算。本文分別運(yùn)用簡化法、Glauert設(shè)計(jì)法、Wilson設(shè)計(jì)法對葉片的氣動(dòng)外形參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。得到葉片翼型的弦長和扭角,并進(jìn)行比較。經(jīng)過分析得出Wilson設(shè)計(jì)法比簡化法和Glauert設(shè)計(jì)法計(jì)算結(jié)果更精確。2.葉片翼型的氣動(dòng)特性分析運(yùn)用Gambit軟件建立葉片翼型的計(jì)算模型,在對翼型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和定義邊界類型之后,利用Fluent軟件對其進(jìn)行求解計(jì)算。最后得到翼型NACA4412在特定雷諾數(shù)、額定風(fēng)速工況下,不同攻角的二維流場下的翼型表面壓力系數(shù)分布圖、壓強(qiáng)云圖、速度云圖。3.葉片的三維建模和模態(tài)分析在對葉片進(jìn)行三維建模之前,需要利用專用翼型設(shè)計(jì)軟件Profili選取風(fēng)力機(jī)葉片翼型NACA4412。根據(jù)本文所運(yùn)用Wilson設(shè)計(jì)法計(jì)算出的各葉素弦長和扭角來選取葉素,可以獲得各翼型的二維坐標(biāo),然后基于點(diǎn)的坐標(biāo)變換可以求出各個(gè)葉素截面得三維坐標(biāo)。最后利用Solid Works對葉片進(jìn)行三維實(shí)體建模。根據(jù)得到的風(fēng)力機(jī)葉片的三維實(shí)體模型,可以對葉片進(jìn)行模態(tài)分析。首先把建好的葉片三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中,對其進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,然后對葉片的約束條件進(jìn)行設(shè)定。經(jīng)過求解,得到葉片的模態(tài)振型圖,提取前六階葉片模態(tài)振型進(jìn)行分析。得出結(jié)論,即葉片模態(tài)振型主要有三種:揮舞振動(dòng)、擺動(dòng)振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng);葉片振動(dòng)的能量主要集中在一階和二階振型中,且振動(dòng)的方式主要表現(xiàn)為揮舞振動(dòng);葉片的模態(tài)振型階數(shù)越高,振幅也越大,其振動(dòng)方式表現(xiàn)越復(fù)雜;最后,通過頻率分析,得出該1MW風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行過程中不會(huì)發(fā)生共振。
【學(xué)位單位】：上海海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TK83
【部分圖文】：

水平軸風(fēng)力機(jī)Fig.2-1Horizontalaxiswindturbine

垂直軸風(fēng)力機(jī)Fig.2-2Verticalaxiswindturbine

圖 2-3 風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)和組成Fig.2-3 components of wind power generating units2.2 風(fēng)力機(jī)葉片的特征參數(shù)2.2.1 風(fēng)能的主要特征參數(shù)（1）風(fēng)能風(fēng)能的儲(chǔ)量很豐富，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，全球風(fēng)能總量為3 × 109億千瓦，風(fēng)能總量的約 1%可直接被利用。風(fēng)能的利用是水能利用的 10 倍之多。技術(shù)上可利用的風(fēng)能總量大約為53PW h/年，（1PW = 1015 = 104千瓦），這個(gè)量是很可觀的，能滿足現(xiàn)在電力總消耗的 10 倍之多。顧名思義，風(fēng)能，就是流動(dòng)的風(fēng)所蘊(yùn)含的動(dòng)能。對于風(fēng)能的計(jì)算，可通過下式計(jì)算11
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本文編號：2875603