基于流固耦合的大型水平轴风力机叶片结构设计

题名	基于流固耦合的大型水平轴风力机叶片结构设计
作者	张志勇
导师	杨瑞
答辩日期	2017
学位名称	硕士
关键词	风力机叶片设计复合材料流固耦合有限元分析
摘要	随着风电技术的进步,风力发电机组大型化发展,单机容量增大,叶片外形尺寸越来越大,其结构也表现的越柔,叶片气动与结构的耦合效应对叶片载荷和性能的影响也越明显,机组风轮半径越大,耦合效应的影响就越明显;发生耦合时,叶片截面的攻角发生变化,使得截面翼型的升阻力发生变化,风轮实际出力达不到设计功率,同时耦合效应导致叶片载荷变化,使叶片振动加剧,对叶片造成疲劳破坏,甚至对整机造成不可修复性的损坏,不利于机组安全运行。因此,大型风力机叶片设计时叶片气动与结构的耦合作用不容忽视。叶片设计前期,可采用数值分析的方法对叶片流固耦合特性进行模拟。针对叶片流固耦合特性进行截面形式设计和铺层设计,使叶片在满足运行时的刚度和强度要求的同时,减小截面耦合变形,以减小叶片振动,提高使用寿命,并使叶片运行达到设计功率,同时尽可能减小叶片质量,降低叶片成本,提高市场竞争力。本文的研究内容主要包括以下几个方面:1、针对大型风力机叶片设计理论选择合理的设计方法,掌握设计流程,采用C语言编程实现8MW水平风力机叶片气动设计,并对不同工况时的载荷进行分析。沿着叶片展向气动力先增大后减小,叶片最大出力位置为距离叶根72%处。叶根处的气动剪力和弯矩最大,沿着叶片展向,叶片气动剪力和弯矩逐渐减小,叶尖处最小。2、根据流固耦合原理以及控制方程,基于workbench平台,对8MW水平轴风力机叶片在不同工况时的流固耦合特性进行数值分析。结果表明:随着风速的增大,风轮表面的压力增大,极限风速时风轮表面压力达到最大;同时,叶片应力集中点越靠近叶根。叶片应力主要集中在叶根和距叶根60%至叶尖处。3、依据叶片流固耦合特性,设计合理的叶片截面形式,包括腹板位置和腹板形式的设计,结果表明:大型风力机叶片采用单腹板时,腹板位置为35%时较适宜;双腹板时,两个腹板位置分别为20%和50%时较适宜,为减小耦合效应引起的叶片截面变形,大型风力机叶片宜采用双腹板形式。4、比较大型风力机叶片常用材料的优缺点,选择合理的材料,针对叶片流固耦合特性进行铺层设计,确定合理的铺层角度、铺层顺序以及各角度铺层占总铺层的比例。为了减小层间应力,腹板铺层时避免0°和90°、45。和-45。连续铺放;腹板铺层时±45。铺层层数占总层数的58%左右时,叶片结构性能较好。5、基于ANSYS APDL对设计好的叶片进行有限元分析,校核设计结果,并研究分析其结构特性,包括叶片变形、固有频率、叶片振型以及最大等效应力,最后对叶片质量进行计算。
页数	76
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语种	中文
收录类别	CNKI
中图分类号	TM315
文献类型	学位论文
条目标识符	https://ir.lut.edu.cn/handle/2XXMBERH/92647
专题	兰州理工大学
作者单位	兰州理工大学
第一作者单位	兰州理工大学
推荐引用方式 GB/T 7714	张志勇. 基于流固耦合的大型水平轴风力机叶片结构设计[D],2017.