风力机叶片设计及模态分析
Modal Analysis and Design of Wind Turbine Blades
风能是一种清洁无污染、可再生、储存广泛的可再生能源.风能的利用越来越广泛.近30年来,风力发电是其中发展最快的一个领域,风电技术在理论研究和应用方面都得到了巨大发展.风机功率从以前的百瓦级逐渐发展到现在的兆瓦级.随着功率的不断增大,传统的风力机设计方法不能完全满足大功率风力机设计上的结构稳定性要求.叶片是风力机的核心部件,叶片的设计直接影响到风力机能否安全可靠运行和功率稳定的输出.寻求更好的设计方法并不断优化才能设计出性能更好的风力机叶片.此外,风力机叶片作为一弹性结构,作用在叶片上的载荷具有交变性和随机性,因而发生振动是必然的.而振动问题直接关系到风力机能否稳定可靠运转.因此对其振动特性,即模态很有必要进行研究.为此,本文主要对1MW风力机叶片进行了设计并对叶片的模态进行了分析.论文的主要研究内容如下:1.风力机叶片的设计在风力机空气动力学的基础上,根据风力机的某些参数如额定功率、额定风速、风能利用系数可计算出其他参数如叶片直径等.对于叶片的某些气动参数,如弦长、扭角等参数需要用到设计法计算.本文分别运用简化法、Glauert设计法、Wilson设计法对叶片的气动外形参数进行计算.得到叶片翼型的弦长和扭角,并进行比较.经过分析得出Wilson设计法比简化法和Glauert设计法计算结果更精确.2.叶片翼型的气动特性分析运用Gambit软件建立叶片翼型的计算模型,在对翼型进行网格划分和定义边界类型之后,利用Fluent软件对其进行求解计算.最后得到翼型NACA4412在特定雷诺数、额定风速工况下,不同攻角的二维流场下的翼型表面压力系数分布图、压强云图、速度云图.3.叶片的三维建模和模态分析在对叶片进行三维建模之前,需要利用专用翼型设计软件Profili选取风力机叶片翼型NACA4412.根据本文所运用Wilson设计法计算出的各叶素弦长和扭角来选取叶素,可以获得各翼型的二维坐标,然后基于点的坐标变换可以求出各个叶素截面得三维坐标.最后利用Solid Works对叶片进行三维实体建模.根据得到的风力机叶片的三维实体模型,可以对叶片进行模态分析.首先把建好的叶片三维模型导入ANSYS Workbench中,对其进行有限元网格划分,然后对叶片的约束条件进行设定.经过求解,得到叶片的模态振型图,提取前六阶叶片模态振型进行分析.得出结论,即叶片模态振型主要有三种:挥舞振动、摆动振动和扭转振动;叶片振动的能量主要集中在一阶和二阶振型中,且振动的方式主要表现为挥舞振动;叶片的模态振型阶数越高,振幅也越大,其振动方式表现越复杂;最后,通过频率分析,得出该1MW风力机在运行过程中不会发生共振.
- 作者：
- 王陆宇
- 学位授予单位：
- 上海海洋大学
- 专业名称：
- 机械工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2016年
- 导师姓名：
- 梁拥成；李永国
- 中图分类号：
- TK83
- 关键词：
- 风力机；叶片设计；气动特性；模态分析
- Wind turbine; Blade design; Aerodynamic characteristic; Modal analysis;