大型水平軸風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)結(jié)構(gòu)一體化優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、風(fēng)能作為綠色可再生能源，已受到世界各國(guó)的廣泛重視，隨著化石能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題日益突出，風(fēng)能利用技術(shù)更是得到了快速發(fā)展。中國(guó)作為能源消費(fèi)大國(guó)，風(fēng)電得到國(guó)家層面的大力支持從而發(fā)展迅速。但相比于國(guó)外風(fēng)電發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)風(fēng)電科學(xué)技術(shù)仍面臨一系列挑戰(zhàn)。
　　 風(fēng)力機(jī)葉片是風(fēng)電機(jī)組的重要組成部分。葉片的設(shè)計(jì)可分為氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。隨著風(fēng)力機(jī)葉片大型化趨勢(shì)的發(fā)展，葉片結(jié)構(gòu)變的越來(lái)越柔，同時(shí)組成葉片的復(fù)合材料本身具有高強(qiáng)度低模量的特點(diǎn)，

2、風(fēng)力機(jī)葉片在極限載荷作用下會(huì)產(chǎn)生較大的擾度，此外風(fēng)輪在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，因此風(fēng)力機(jī)葉片在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)相互影響的問(wèn)題。本文主要從葉片的氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手，同時(shí)考慮兩者之間的耦合關(guān)系，結(jié)合目前應(yīng)用較為廣泛的基于動(dòng)量葉素理論和梁理論設(shè)計(jì)方法對(duì)大型風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。
　　 (1)采用修正的動(dòng)量葉素理論設(shè)計(jì)法對(duì)1.5MW風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行設(shè)計(jì)。初始計(jì)算所得弦長(zhǎng)和扭角數(shù)據(jù)在葉根處數(shù)據(jù)偏大須進(jìn)行修正。根據(jù)修正后

3、弦長(zhǎng)和扭角計(jì)算葉片三個(gè)氣動(dòng)性能參數(shù)CT、CP和CM。為了獲得良好的氣動(dòng)性能，對(duì)葉片氣動(dòng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。以風(fēng)力機(jī)年發(fā)電量最大為目標(biāo)，應(yīng)用遺傳算法對(duì)葉片弦長(zhǎng)和扭角進(jìn)行優(yōu)化，葉片氣動(dòng)外形發(fā)生改變，風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下的風(fēng)能利用系數(shù)也發(fā)生變化，具體為在風(fēng)速概率高的區(qū)段風(fēng)輪風(fēng)能利用系數(shù)提高，在風(fēng)速概率小的區(qū)段風(fēng)輪的風(fēng)能利用系數(shù)減小。
　　 (2)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算主要基于梁理論，內(nèi)容主要包括四部分:葉片剖面幾何特性計(jì)算、葉片載荷和內(nèi)力計(jì)算、葉片

4、應(yīng)力和變形計(jì)算以及葉片的鋪層計(jì)算。對(duì)于剖面結(jié)構(gòu)為蒙皮加主梁形式的葉片在計(jì)算結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)還需給定主梁的參數(shù)即主梁的位置和寬度。若以葉片主梁位置和寬度為自變量，葉片的剛度為約束，葉片質(zhì)量最小為目標(biāo)，應(yīng)用遺傳算法對(duì)葉片進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果顯示:葉片主梁位置發(fā)生偏移、寬度增大，在葉片剛度不變的情況下，葉片的鋪層厚度有所減小，對(duì)應(yīng)的葉片質(zhì)量也有所下降，葉片主梁的位置和寬度對(duì)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有影響。
　　 (3)葉片氣動(dòng)結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，在傳統(tǒng)的葉片設(shè)計(jì)