兆瓦级风能发电机组叶片的动态特性及响应分析

【摘要】：由于苛刻的能源环境要求，风电产业受到各国的高度重视，风力发电技术取得了巨大发展，风力机的单机容量也不断增大。风力机的尺寸和单机容量的增加，对我国风电的整体设计水平提出了更高的要求。 风力机在工作时，叶片绕中心轴转动，叶片的变形使其绕转轴的转动惯量及质量分布等发生变化，从而影响叶片的转动形态，而叶片的转动形态的改变，必然使叶片弹性变形发生改变，叶片的转动和弹性变形之间是相互耦合的。旋转叶片的动力学分析需要考虑叶片的转动与其弹性变形之间的相互耦合关系所造成的动力学响应。由于实际中动态数据实测的限制性，以及建立一个完整的风机动力学模型的难度，如何简化设计模型和研究风力机叶片的动态特性与响应，就显得越来越重要。 本文依托国家自然科学基金项目：兆瓦级风能发电机组叶片的动态特性研究与寿命分析（51065026）和自治区自然科学基金项目：兆瓦级风力发电机叶片状态退化及失效机理研究(2011211A002)。本研究课题对大型风力发电机组叶片的动态特性及响应进行了分析和研究。 在本研究课题中，首先建立叶片的气动模型，据此模型计算了叶片的外形参数。利用UG三维建模软件对1.5MW风力发电机叶片进行实体建模，然后对叶片的气动额定功率、风能利用系数等气动性能进行分析。 其次，对叶片模型进行有限元离散化，建立了叶片的运动学方程、拉格朗日方程、叶片的单元体矩阵方程以及求解了叶片频率跟模态振型。定义了叶片模型和风力机其余部分的模型，应用Bladed软件对叶片进行模拟计算，得到各种工况下的载荷、力矩以及系统的固有频率。 最后，基于假设模态方法，建立了叶片的动力学方程，对塔架和叶片进行模态分析。利用FAST软件对风力发电机组叶片在空转下、受到稳定载荷和阵风载荷情况下的动态特性及响应进行分析，并将其与ADAMS的结果进行了比较，验证了计算结果的正确性。 【关键词】：风力机 有限元法 线性化 模态分析 动态特性及响应
【学位授予单位】：新疆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-14
• 1.1 课题来源8
• 1.2 风力发电的发展概况8-11
• 1.2.1 风力发电的国外发展状况9
• 1.2.2 大型风力发电的国内发展状况9-10
• 1.2.3 风力发电机叶片的发展状况10-11
• 1.3 本课题研究目的及意义11-12
• 1.4 本文的技术路线及研究内容12-14
• 第2章 叶片三维实体模型建立14-21
• 2.1 叶片外形参数计算14-16
• 2.1.1 风轮直径计算14
• 2.1.2 尖速比和叶片数的确定14
• 2.1.3 叶片翼型的选择14-15
• 2.1.4 安装角和弦长的计算15-16
• 2.2 叶片三维实体建模16-18
• 2.2.1 叶片各翼型空间坐标的确定16-17
• 2.2.2 叶片模型生成17-18
• 2.3 叶片气动性能分析18-20
• 2.3.1 变桨调节特性18
• 2.3.2 安装角的变化影响18-19
• 2.3.3 扭矩系数特性19
• 2.3.4 推力系数特性19-20
• 2.4 小结20-21
• 第3章 叶片动力学模型建立21-36
• 3.1 引言21
• 3.2 叶片动力学方程建立21-30
• 3.2.1 坐标系的确定21-24
• 3.2.2 运动学方程建立24-26
• 3.2.3 拉格朗日方程的建立26-29
• 3.2.4 叶片单元体矩阵方程建立29-30
• 3.2.5 叶片频率和模态振型求解30
• 3.3 基于 Bladed 软件动力学模型的建立30-32
• 3.3.1 定义风力机叶片模型31
• 3.3.2 定义风力机其余部分模型31-32
• 3.4 叶片的载荷与系统固有频率的计算32-35
• 3.4.1 叶片的载荷计算32-34
• 3.4.2 系统的固有频率34-35
• 3.5 小结35-36
• 第4章 风力发电机组动态特性分析36-54
• 4.1 引言36
• 4.2 风力发电机组模态分析理论36-38
• 4.3 叶片与塔架的模态分析38-40
• 4.3.1 塔架模态分析39
• 4.3.2 叶片模态分析39-40
• 4.4 风力发电机组模态分析40-49
• 4.4.1 FAST 线性化简介41
• 4.4.2 周期稳态解41-43
• 4.4.3 模型线性化43-46
• 4.4.4 后处理46-49
• 4.5 BModes 模态分析49-52
• 4.5.1 BModes 介绍49-50
• 4.5.2 技术方法50-51
• 4.5.3 基本假设51
• 4.5.4 输入数据准备51-52
• 4.6 小结52-54
• 第5章 风力发电机组叶片动力学响应分析54-74
• 5.1 引言54
• 5.2 动力学响应分析基础54-61
• 5.2.1 中心差分法54-55
• 5.2.2 Houbolt 法55
• 5.2.3 Wilson- 法55-56
• 5.2.4 Newmark 法56-57
• 5.2.5 振型叠加法57-61
• 5.2.5.1 无阻尼系统的动力学响应57-59
• 5.2.5.2 有阻尼系统的动力学响应59-61
• 5.3 风力发电机组叶片在空转情况下的响应分析61-65
• 5.4 风力发电机组叶片在稳态载荷情况下的响应分析65-69
• 5.5 风力发电机组叶片在瞬态载荷情况下的响应分析69-73
• 5.6 小结73-74
• 第6章 结论与展望74-76
• 6.1 结论74
• 6.2 展望74-76
• 参考文献76-79
• 在校期间发表论文清单79-80
• 致谢80

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