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风力发电机组叶片模型气动载荷研究

作　者: 赵丹平
导　师: 田德
学　校: 内蒙古农业大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 风力发电机组叶片模型气动载荷兆瓦级
分类号: TK83
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

以国家自然科学基金资助项目《风力发电机风轮系列化的实验与研究》[批准号:59776033]为资助,针对我国兆瓦级风力发电机组风轮叶片存在问题,进行了兆瓦级风力发电机组风轮叶片基础实验研究。研究是采用车载法对1MW、1.5MW、2MW风力发电机组叶片模型的气动载荷特性、发电机及发电机组功率输出特性进行实验研究,并将1.5MW实验结果与ANSYS程序的风力机叶片气动载荷分析结果进行对比分析,分析研究叶片气动载荷对叶片设计的影响,初步建立兆瓦级风力发电机系列化机组的关键参数的理论设计。课题组前期对风力发电机组进行大量基础工作,设计制造了200kW的大型风力发电机组叶片,并在沈阳试运行,效果良好。在此研究基础上,设计了1MW、1.5MW、2MW风力发电机组新型专用叶片,并制造加工1MW、1.5MW、2MW实验叶片模型。采用车载法和应变片测试技术,根据国标GB/T 10760.2—89规定,3m/s、5m/s、7m/s、9m/s、11m/s、13m/s、15m/s、17m/s、19m/s九种风速对装有叶片模型的风力机功率输出特性、风力机叶片模型的气动载荷特性参数进行了测试,对实验结果进行了理论分析研究。三种叶片模型均采用100W的风力发电系统,测试截面选择6个截面。以1.5MW叶片模型截面位置布置尺寸为准,1MW、2MW叶片模型截面位置尺寸按照相似比例确定。实验研究结果表明:在风力机设计中,桨距角是一个重要参数,其对风力机气动特性有较大影响。在1.5MW叶片模型的实验中,设计风速12m/s和桨距角为30°时,风力机输出功率78.6W。对1MW、2MW叶片模型风力机的起动性能试验发现,起动风速分别为5.4m/s、3.5 m/s。显然, 2MW叶片模型风力机起动性能较好。对于静载试验,在使用载荷时,1.5MW叶片模型各截面变形位移较小,叶片刚度较大;在设计载荷时,叶片截面位移仍随着风轮半径增大呈线性增加趋势,但截面位移增长速度较快,表明叶片刚度下降显著。对1MW、1.5MW、2MW叶片模型有相同载荷特性,各截面处的拉应力、剪应力、扭矩随风速增大而增大,呈线性增加规律;在相同风速下,叶片各测试截面的拉应力值变化较大,而剪应力值基本相同,但对1.5MW叶片模型,在距风轮回转中心388mm处与其它截面处的剪应力、拉应力比较明显增大,有应力集中现象。在风速为14.6m/s时,1.5MW叶片模型风力机风轮转速达到400 rpm,但风轮风能利用系数为0.062,表明兆瓦级叶片模型与100W风力发电机不匹配。根据新型专用1.5MW叶片模型实际结构,创新性运用层单元SHELL91和实体单元SOLID45相结合的方法进行模拟,采用自由度耦合将节点进行刚性连接,用两种不同类型单元节点的耦合的关键是选用合适的网格划分和重合容差值等。否则,用ANSYS软件进行载荷计算时出现错误,该方法是一种新的尝试。用ANSYS有限元仿真技术对新型专用1.5MW叶片模型受剪应力情况进行分析研究,其仿真数据结果与车载试验数据结果符合性较好,叶片各截面的应力变化趋势基本吻合;各截面位移量仿真结果与试验结果基本吻合,在额定风速为12m/s时,在各加载截面,仿真与试验结果最大相对误差为9.55%,最小相对误差为2.38%,而且靠近叶片根部误差大,靠近叶尖误差较小。证明用此方法对运动叶片的受力分析基本是合理的、可靠的、可信的,这对兆瓦级风力机的载荷分析及优化设计具有重要的指导意义。采用车载法和应变片测试技术,对1MW、1.5MW、2MW叶片模型进行实验研究。用ANSYS有限元仿真计算验证了实验结果的正确性,验证了该研究方法可行性和可靠性。解决了兆瓦级叶片气动载荷研究的难题,开拓了兆瓦级风力机气动载荷研究的新途径。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-19
1 引言  19-35
  1.1 风力发电机技术的发展史  19-27
    1.1.1 风能利用  19-22
    1.1.2 风力机类型与风力机并网技术  22-27
  1.2 国内外风力发电技术发展现状  27-30
    1.2.1 国外风力发电技术发展  27-29
    1.2.2 国内风力发电技术发展现状与趋势  29-30
  1.3 风力发电机组叶片技术的发展与研究现状  30-34
    1.3.1 风力机叶片技术的发展  30-33
    1.3.2 兆瓦级风力机叶片技术研究现状  33-34
  1.4 课题研究的目的与意义  34-35
2 风力机叶片理论与设计  35-56
  2.1 基础理论  35-42
    2.1.1 贝兹理论  35-37
    2.1.2 旋涡理论  37-38
    2.1.3 动量叶素理论  38-42
  2.2 兆瓦级风力发电机组叶片的设计理论  42-52
    2.2.1 风力机叶片的气动载荷  42-44
      2.2.1.1 风特性  42
      2.2.1.2 叶片气动载荷理论计算  42-44
    2.2.2 叶片的主要参数与气动外形设计  44-52
      2.2.2.1 叶片数的确定  44
      2.2.2.2 叶尖速比的确定  44-46
      2.2.2.3 风轮直径和风轮转速的确定  46
      2.2.2.4 翼型的选择和修型  46-52
  2.3 新型 1MW、1.5MW 、2MW 风力机叶片参数确定  52-54
    2.3.1 总体方案  52-53
    2.3.2 新型1MW、1.5MW 、2MW 风力机叶片主要参数的确定  53-54
      2.3.2.1 风轮直径的确定  53
      2.3.2.2 新型专用叶片叶尖速比、风轮转速及增速比的选择  53
      2.3.2.3 新型专用叶片翼型的选择  53-54
  2.4 新型1.5MW 叶片模型的确定  54-55
    2.4.1 叶片模型弦长、扭角及厚度的确定  55
    2.4.2 叶片模型攻角的确定  55
  2.5 本章小结  55-56
3 新型兆瓦级风力发电机组叶片模型实验研究  56-84
  3.1 100W 型风力发电机特性台架实验  56-60
    3.1.1 实验方案  56-57
    3.1.2 主要设备与测试仪器  57-58
      3.1.2.1 主要设备  57
      3.1.2.2 主要测试仪器  57-58
    3.1.3 实验内容与实验结果  58
    3.1.4 结果分析与修正  58-60
  3.2 100W 风力机功率特性车载实验方案  60-62
    3.2.1 实验方案  60-61
      3.2.1.1 实验准备  60
      3.2.1.2 车载实验测试方案  60
      3.2.1.3 测量仪器设备  60-61
    3.2.2 100W 功率特性实验与结果分析  61-62
  3.3 新型专用1.5MW 叶片模型载荷实验  62-75
    3.3.1 实验内容与方法  62-65
      3.3.1.1 静载荷实验  62-63
      3.3.1.2 新型1.5MW 叶片模型气动载荷实验  63-65
    3.3.2 气动载荷实验测试系统  65
    3.3.3 实验仪器与设备  65-67
    3.3.4 实验结果与分析  67-75
      3.3.4.1 静载荷实验结果与分析  67-68
      3.3.4.2 气动载荷实验结果与分析  68-75
  3.4 新型专用 1MW、2MW 叶片模型改进设计和气动载荷实验  75-83
    3.4.1 新型 1MW、2MW 风力机叶片模型参数的确定  75-77
      3.4.1.1 叶片模型弦长、扭角及厚度的确定  76-77
      3.4.1.2 叶片模型攻角的确定  77
    3.4.2 新型 1MW、2MW 叶片模型风力机功率特性实验  77-79
      3.4.2.1 起动风速测定  77-78
      3.4.2.2 风力机功率特性实验与结果分析  78-79
    3.4.3 新型1MW、2MW 叶片模型气动载荷实验  79-83
  3.5 本章小结  83-84
4 实验用 1.5MW 风力机叶片模型气动载荷的有限元分析  84-107
  4.1 有限元的基本思想理论  85-87
    4.1.1 有限元的发展及基本思想  85
    4.1.2 有限元分析  85-86
    4.1.3 有限元法的特点  86-87
  4.2 新型专用1.5MW 叶片模型有限元分析  87-97
    4.2.1 风力机叶片三维模型的建立  87-91
      4.2.1.1 叶片截面空间坐标  87-88
      4.2.1.2 绘制各叶素轮廓线  88-90
      4.2.1.3 叶片曲面造型  90
      4.2.1.4 叶片实体造型  90-91
      4.2.1.5 Pro/E 软件叶片建模的特点  91
    4.2.2 新型1.5MW 风力机叶片模型的有限元计算与分析  91-97
      4.2.2.1 叶片有限元模型建立  91
      4.2.2.2 建立几何模型  91-93
      4.2.2.3 叶片有限元分析  93-97
  4.3 新型 1.5MW 叶片模型的刚度计算与载荷施加  97-99
    4.3.1 叶片模型的刚度计算  97-98
    4.3.2 载荷施加  98-99
  4.4 基于ANSYS 软件的1.5MW 叶片模型气动载荷仿真  99-104
    4.4.1 叶片模型等效应力  99-102
    4.4.2 叶片模型变形分析  102-104
  4.5 仿真结果与叶片模型试验结果比较  104-106
  4.6 本章小结  106-107
5 结论与讨论  107-109
  5.1 结论  107-108
  5.2 讨论  108-109
6 特色与创新之处  109-110
致谢  110-111
参考文献  111-116
附表  116-122
作者简介  122

风力发电机组叶片模型气动载荷研究

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