兆瓦級風(fēng)能發(fā)電機(jī)組葉片的動(dòng)態(tài)特性及響應(yīng)分析

【摘要】：由于苛刻的能源環(huán)境要求，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)受到各國的高度重視，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)取得了巨大發(fā)展，風(fēng)力機(jī)的單機(jī)容量也不斷增大。風(fēng)力機(jī)的尺寸和單機(jī)容量的增加，對我國風(fēng)電的整體設(shè)計(jì)水平提出了更高的要求。 風(fēng)力機(jī)在工作時(shí)，葉片繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片的變形使其繞轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及質(zhì)量分布等發(fā)生變化，從而影響葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)形態(tài)，而葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)形態(tài)的改變，必然使葉片彈性變形發(fā)生改變，葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)和彈性變形之間是相互耦合的。旋轉(zhuǎn)葉片的動(dòng)力學(xué)分析需要考慮葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)與其彈性變形之間的相互耦合關(guān)系所造成的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。由于實(shí)際中動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)測的限制性，以及建立一個(gè)完整的風(fēng)機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的難度，如何簡化設(shè)計(jì)模型和研究風(fēng)力機(jī)葉片的動(dòng)態(tài)特性與響應(yīng)，就顯得越來越重要。 本文依托國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目：兆瓦級風(fēng)能發(fā)電機(jī)組葉片的動(dòng)態(tài)特性研究與壽命分析（51065026）和自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目：兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片狀態(tài)退化及失效機(jī)理研究(2011211A002)。本研究課題對大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的動(dòng)態(tài)特性及響應(yīng)進(jìn)行了分析和研究。 在本研究課題中，首先建立葉片的氣動(dòng)模型，據(jù)此模型計(jì)算了葉片的外形參數(shù)。利用UG三維建模軟件對1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片進(jìn)行實(shí)體建模，然后對葉片的氣動(dòng)額定功率、風(fēng)能利用系數(shù)等氣動(dòng)性能進(jìn)行分析。 其次，對葉片模型進(jìn)行有限元離散化，建立了葉片的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程、拉格朗日方程、葉片的單元體矩陣方程以及求解了葉片頻率跟模態(tài)振型。定義了葉片模型和風(fēng)力機(jī)其余部分的模型，應(yīng)用Bladed軟件對葉片進(jìn)行模擬計(jì)算，得到各種工況下的載荷、力矩以及系統(tǒng)的固有頻率。 最后，基于假設(shè)模態(tài)方法，建立了葉片的動(dòng)力學(xué)方程，對塔架和葉片進(jìn)行模態(tài)分析。利用FAST軟件對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片在空轉(zhuǎn)下、受到穩(wěn)定載荷和陣風(fēng)載荷情況下的動(dòng)態(tài)特性及響應(yīng)進(jìn)行分析，并將其與ADAMS的結(jié)果進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的正確性。 【關(guān)鍵詞】：風(fēng)力機(jī) 有限元法 線性化 模態(tài)分析 動(dòng)態(tài)特性及響應(yīng)
【學(xué)位授予單位】：新疆大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TM315
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 緒論8-14
• 1.1 課題來源8
• 1.2 風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展概況8-11
• 1.2.1 風(fēng)力發(fā)電的國外發(fā)展?fàn)顩r9
• 1.2.2 大型風(fēng)力發(fā)電的國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r9-10
• 1.2.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的發(fā)展?fàn)顩r10-11
• 1.3 本課題研究目的及意義11-12
• 1.4 本文的技術(shù)路線及研究內(nèi)容12-14
• 第2章 葉片三維實(shí)體模型建立14-21
• 2.1 葉片外形參數(shù)計(jì)算14-16
• 2.1.1 風(fēng)輪直徑計(jì)算14
• 2.1.2 尖速比和葉片數(shù)的確定14
• 2.1.3 葉片翼型的選擇14-15
• 2.1.4 安裝角和弦長的計(jì)算15-16
• 2.2 葉片三維實(shí)體建模16-18
• 2.2.1 葉片各翼型空間坐標(biāo)的確定16-17
• 2.2.2 葉片模型生成17-18
• 2.3 葉片氣動(dòng)性能分析18-20
• 2.3.1 變槳調(diào)節(jié)特性18
• 2.3.2 安裝角的變化影響18-19
• 2.3.3 扭矩系數(shù)特性19
• 2.3.4 推力系數(shù)特性19-20
• 2.4 小結(jié)20-21
• 第3章 葉片動(dòng)力學(xué)模型建立21-36
• 3.1 引言21
• 3.2 葉片動(dòng)力學(xué)方程建立21-30
• 3.2.1 坐標(biāo)系的確定21-24
• 3.2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程建立24-26
• 3.2.3 拉格朗日方程的建立26-29
• 3.2.4 葉片單元體矩陣方程建立29-30
• 3.2.5 葉片頻率和模態(tài)振型求解30
• 3.3 基于 Bladed 軟件動(dòng)力學(xué)模型的建立30-32
• 3.3.1 定義風(fēng)力機(jī)葉片模型31
• 3.3.2 定義風(fēng)力機(jī)其余部分模型31-32
• 3.4 葉片的載荷與系統(tǒng)固有頻率的計(jì)算32-35
• 3.4.1 葉片的載荷計(jì)算32-34
• 3.4.2 系統(tǒng)的固有頻率34-35
• 3.5 小結(jié)35-36
• 第4章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)特性分析36-54
• 4.1 引言36
• 4.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模態(tài)分析理論36-38
• 4.3 葉片與塔架的模態(tài)分析38-40
• 4.3.1 塔架模態(tài)分析39
• 4.3.2 葉片模態(tài)分析39-40
• 4.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模態(tài)分析40-49
• 4.4.1 FAST 線性化簡介41
• 4.4.2 周期穩(wěn)態(tài)解41-43
• 4.4.3 模型線性化43-46
• 4.4.4 后處理46-49
• 4.5 BModes 模態(tài)分析49-52
• 4.5.1 BModes 介紹49-50
• 4.5.2 技術(shù)方法50-51
• 4.5.3 基本假設(shè)51
• 4.5.4 輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)備51-52
• 4.6 小結(jié)52-54
• 第5章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析54-74
• 5.1 引言54
• 5.2 動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析基礎(chǔ)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 振型疊加法57-61
• 5.2.5.1 無阻尼系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)57-59
• 5.2.5.2 有阻尼系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)59-61
• 5.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片在空轉(zhuǎn)情況下的響應(yīng)分析61-65
• 5.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片在穩(wěn)態(tài)載荷情況下的響應(yīng)分析65-69
• 5.5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片在瞬態(tài)載荷情況下的響應(yīng)分析69-73
• 5.6 小結(jié)73-74
• 第6章 結(jié)論與展望74-76
• 6.1 結(jié)論74
• 6.2 展望74-76
• 參考文獻(xiàn)76-79
• 在校期間發(fā)表論文清單79-80
• 致謝80

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