大型風(fēng)機(jī)葉片氣動(dòng)性能計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究.pdf

1、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(lài)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)

2、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

3、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)

4、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

5、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

6、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，