考虑极限条件的大厚度钝尾缘风电叶片结构设计与铺层优化研究

【摘要】：近年来海上风电发展迅速,我国东南沿海地区处于亚热带季风气候,风资源丰富,但台风天气所带来的极端风况给风力机叶片的设计带来了极大的挑战。风浪耦合的多变海上外部环境,给风力机叶片极限载荷的预测带来很大的困难。极端风况所带来的极限风速与高湍流度,给风力机叶片的结构设计提出了更高的要求。台风天气所造成的高极限载荷对叶片产生的严重破坏,对开发出低载荷高强度叶片提出迫切的需求。因此,本文将在海上风力机叶片极限载荷预测,极限载荷变化对叶片结构强度的影响探究,低载荷高强度大厚度钝尾缘叶片设计三个方面进行研究。 首先,为了研究快速准确的海上风力机极限载荷预测方法,本文通过FAST软件结合遗传算法将风浪耦合下海上环境的叶片极限载荷计算转化为极限值的求解。并将计算结果与利用IEC标准预测的结果进行比较,得出如下结论：海上漂浮式风力机叶片的载荷不仅与来流风有关,还受到参数海浪的影响。当风速较大,有效浪高处于该风速下最大浪高,海浪峰值周期处于风力机纵摇固有频率附近,风浪夹角与风向处于负值时容易出现极限叶根挥舞弯矩。并且新算法节约了计算时间,提高了计算精度,通过改变算法中的参数约束条件,可以使该算法适用于各个不同的风场海域,相比IEC61400-3标准具有更好的适用性,为特殊的风资源环境提供有效的极限载荷的预测方法。 其次,为了研究极限载荷的增大对叶片结构强度的影响,从而更好地有针对性地对叶片进行强化,本文依据三种不同的风况,生成三类叶片极限载荷包络线,比较了在不同极限载荷包络线作用下100kW风力机叶片的结构特性,并对我国风资源条件下的叶片进行了校核,得到如下结论：叶片的极限载荷随风速与湍流度的增大而增大,载荷的增加幅度从叶根到叶尖逐渐减小。叶片的极限安全因子随风速和湍流强度的增大而降低,但风速相比湍流强度对叶片极限安全因子的影响更大。叶片容易发生破坏的区域,材料以及工况不受风速和湍流强度的影响,只和叶片本身有关。我国东南沿海地区相比IEC标准规定的风况在风速与湍流强度上均增大,使叶片在轴向推力,挥舞弯矩,摆振弯矩这三个方向上的极限载荷增大,同时叶片在中部的极限安全因子明显降低。 第三,为了探究有效的低载荷高强度叶片的设计方式,本文分别对100kW风力机与6MW风力机进行了不同方式的大厚度钝尾缘叶片设计,并将它们同原始叶片的载荷与结构特性进行了详细比较,得到如下结论：通过只采用CAS450大厚度钝尾缘翼型替换圆柱过渡段的方式设计新叶片,方式较为简单,实现了叶片根部强度的有效提升,能够保护机舱和塔架的安全,但会增加叶片质量,降低气弹稳定性,降低中部强度,适用于对叶片质量要求较低,环境风况较稳定,而中部安全余度较大的较短叶片设计中。通过采用大相对厚度翼型向叶尖方向外延,并用在叶根与中部采用CAS翼型族替换的方式设计的新叶片实现了叶片减重,保证气弹稳定性,降低载荷载,以及保护机舱塔架等要求,适用于长叶片的设计,但叶片根部的强度需要通过铺层改进来增强。 进一步,为了探究适应于大厚度钝尾缘叶片的拓扑结构设计,本文首先针对6MW大厚度钝尾缘CAS叶片与DOWEC传统叶片进行主副梁与SPAR两种不同拓扑结构的铺层设计,研究大厚度钝尾缘叶片对不同铺层拓扑结构的适用性。然后针对SPAR结构,设计了4种铺层方式,对该结构中主要的铺层参数梁帽厚度与宽度对结构的敏感性进行研究,探究影响大厚度钝尾缘叶片强度的最主要因素,得到如下结论：采用SPAR拓扑结构具有比一般叶片更大的挥舞刚度收益,并且能够有效提高叶片的气弹稳定性,弥补了由于钝尾缘结构带来的质心向尾缘移动的不足。在铺层参数对挥舞刚度的敏感性上,梁帽的厚度大于梁帽的宽度,因此在提高挥舞刚度时,大厚度钝尾缘叶片选择增加梁帽的厚度比宽度更加有效。这对大厚度钝尾缘叶片的铺层优化有一定的参考价值。 【关键词】：极限条件 海上风电 大厚度钝尾缘叶片 载荷特性 铺层设计
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（工程热物理研究所）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目录9-11
• 图目录11-14
• 表目录14-15
• 第1章 绪论15-27
• 1.1 研究背景及意义15-18
• 1.2 国内外研究现状18-25
• 1.2.1 风力机极限载荷预测研究现状18-20
• 1.2.2 海上风力机建模研究现状20-22
• 1.2.3 风力机叶片结构设计研究现状22-23
• 1.2.4 大厚度钝尾缘叶片研究现状23-25
• 1.3 本文研究内容25-27
• 第2章 风力机叶片极限载荷预测方法研究27-41
• 2.1 引言27
• 2.2 漂浮式风力机叶片载荷计算原理27-30
• 2.3 传统方法的极限载荷预测30-31
• 2.4 基于遗传算法的极限载荷预测31-34
• 2.4.1 遗传算法介绍31-33
• 2.4.2 基于遗传算法的数学建模33-34
• 2.5 算法求解实例34-39
• 2.5.1 风力机模型34-35
• 2.5.2 约束条件选取35-36
• 2.5.3 极限载荷求解流程36-37
• 2.5.4 计算结果分析37-39
• 2.6 小结39-41
• 第3章 叶片结构特性受载荷变化的影响研究41-57
• 3.1 引言41
• 3.2 叶片结构设计与建模介绍41-42
• 3.3 叶片设计载荷介绍42-46
• 3.3.1 载荷工况描述42-43
• 3.3.2 极限载荷包络线43-46
• 3.4 叶片结构特性比较46-50
• 3.5 中国风资源条件下叶片极限载荷与结构特性50-54
• 3.6 小结54-57
• 第4章 大厚度钝尾缘叶片载荷与结构特性研究57-77
• 4.1 引言57
• 4.2 100KW风力机大厚度钝尾缘叶片结构分析57-66
• 4.2.1 叶片气动外形设计57-58
• 4.2.2 叶片结构特性与气弹稳定性比较58-60
• 4.2.3 叶片气弹耦合载荷特性比较60-64
• 4.2.4 叶片安全因子比较64-66
• 4.3 6MW风力机大厚度钝尾缘叶片结构分析66-75
• 4.3.1 叶片气动设计66-68
• 4.3.2 叶片结构特性与气弹稳定性比较68-69
• 4.3.3 叶片气弹耦合载荷特性比较69-73
• 4.3.4 叶片安全因子比较73-75
• 4.4 小结75-77
• 第5章 大厚度钝尾缘叶片铺层特性研究77-83
• 5.1 引言77
• 5.2 铺层拓扑结构的影响77-79
• 5.3 铺层参数的影响79-80
• 5.4 铺层改进后结构特性比较80-81
• 5.5 小结81-83
• 第6章 结论与展望83-85
• 6.1 总结83-84
• 6.2 展望84-85
• 参考文献85-91
• 已发表的论文及取得的专利91-93
• 致谢93

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