水平轴风电机组风轮性能分析与载荷计算研究

【摘要】：随着风电机组的大型化,叶片的长度不断加长,轮毂的直径不断变大。风轮作为风力发电机组的核心部件之一,其性能分析和载荷计算是风力发电机组设计的非常关键工作。建立适用于风电机组风轮气动性能分析的计算模型和程序设计,对于设计和制造性能优异的风轮有非常重要的意义；同时准确的载荷计算结果,可以用于指导风轮结构的设计和评估校核,保证机组的安全可靠。 结合MATLAB/GUI软件设计,基于叶素动量理论及其修正,开发设计了用于风轮气动性能分析的计算程序,以2000kW风力发电机组风轮为计算实例,其结果与国际著名风电设计软件GH Bladed的计算结果较吻合,进一步验证了所采用的综合考虑叶尖轮毂损失修正、攻角修正、推力系数修正和风剪切修正的计算模型和程序的正确性。 研究了风轮的载荷计算分析方法,根据IEC61400-1的载荷设计工况,采用GH Bladed软件,对2000kW风力发电机组风轮进行了极限载荷和疲劳载荷计算仿真,得出叶片根部和轮毂的连接处是风轮最可能发生破坏的位置。载荷计算结果为后续的有限元分析提供载荷数据和参考。 依据载荷计算结果,对风轮的关键零部件轮毂进行性能分析。通过建立风轮轮毂的实体模型,使用有限元软件计算风轮轮毂在极限工况下的最大应力和应变分布,分析轮毂的极限强度性能；基于Miner法则和雨流计数法计算出轮毂在20年正常安全运行寿命内循环1×107次发生破坏的等效疲劳应力,结合轮毂材料修正合成S-N曲线,分析轮毂的疲劳强度性能。 风力发电机组风轮性能计算分析程序设计和通过结合载荷计算结果对关键零部件进行强度性能分析的方法,对指导风轮的设计和分析具有理论和实际工程意义。 【关键词】：风轮 性能分析 载荷计算 极限强度 疲劳强度
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-7
• 目录7-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 课题研究背景9-12
• 1.2 研究意义和目的12-13
• 1.3 国内外研究现状13-15
• 1.4 论文主要工作安排15-17
• 第2章 风电机组基础理论17-27
• 2.1 引言17
• 2.2 风轮性能系数17-18
• 2.3 贝次理论18-21
• 2.4 风轮尾流旋转的动量理论21-23
• 2.5 叶素-动量理论23-26
• 2.6 本章小结26-27
• 第3章 基于MATLAB/GUI的风轮气动性能分析程序设计27-36
• 3.1 引言27
• 3.2 MATLAB/GUI软件介绍27-29
• 3.3 基于MATLAB/GUI的风轮气动性能计算软件设计29-33
• 3.3.1 计算软件界面设计29-31
• 3.3.2 计算软件模型31-32
• 3.3.3 软件计算流程32-33
• 3.4 风轮气动性能算例分析33-35
• 3.5 本章小结35-36
• 第4章 风电机组风轮载荷计算分析36-56
• 4.1 引言36
• 4.2 载荷计算坐标系36-37
• 4.3 水平轴风电机组风轮载荷计算37-39
• 4.4 风轮极限载荷计算分析39-45
• 4.4.1 极限载荷工况39-40
• 4.4.2 极限载荷计算分析40-43
• 4.4.3 极限载荷计算结果43-45
• 4.5 风轮疲劳载荷计算分析45-54
• 4.5.1 雨流计数与等效载荷45-47
• 4.5.2 疲劳载荷工况与频次47-50
• 4.5.3 疲劳载荷计算结果50-54
• 4.6 本章小结54-56
• 第5章 风电机组风轮轮毂性能分析56-67
• 5.1 引言56
• 5.2 轮毂的性能分析方法56
• 5.3 轮毂的有限元模型建立56-59
• 5.4 轮毂的极限强度分析59-61
• 5.5 轮毂的疲劳强度分析61-66
• 5.5.1 轮毂S-N曲线修正与合成62-64
• 5.5.2 轮毂等效疲劳载荷分析64-66
• 5.6 本章小结66-67
• 第6章 结论与展望67-69
• 6.1 结论67-68
• 6.2 研究展望68-69
• 参考文献69-73
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果73-74
• 致谢74

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