風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)特性和應(yīng)力分布及其安全控制策略.pdf

1、為解決能源危機(jī)，新能源市場(chǎng)不斷得到各國(guó)政府和投資者的關(guān)注。風(fēng)力機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的主要部件，其中風(fēng)力機(jī)葉片更是能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。提高風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)，增加等風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的輸出軸功率，提供有效的風(fēng)力機(jī)控制策略，一直以來都是風(fēng)力機(jī)研究的核心內(nèi)容。目前已發(fā)展了四種風(fēng)力機(jī)葉片的基本氣動(dòng)特性理論和經(jīng)歷了四種風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)模型。對(duì)于風(fēng)力機(jī)葉片在各風(fēng)速下的壓力分布卻沒有成熟的物理特性函數(shù)。為了研究風(fēng)力機(jī)葉片的氣動(dòng)特性以及對(duì)周圍風(fēng)場(chǎng)的影響，風(fēng)力機(jī)

2、葉片及周圍風(fēng)場(chǎng)的三維數(shù)值模擬成為一種行之有效的方法。風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形也一直是風(fēng)力發(fā)電過程中需要注意的重要參數(shù)，目前對(duì)它的研究只是局限在施加粗略的點(diǎn)壓強(qiáng)上，數(shù)值模擬獲得的葉片壓強(qiáng)分布可以為風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形提供更為精確的分析。風(fēng)力機(jī)的控制方法經(jīng)歷了定槳距、恒速變槳距和變速變槳距之后，風(fēng)力機(jī)控制方法越來越成熟。隨著風(fēng)力機(jī)葉片安全性和壽命短暫的問題逐漸顯現(xiàn)，風(fēng)力機(jī)控制方法中應(yīng)當(dāng)考慮進(jìn)應(yīng)力及變形，并提供一定的應(yīng)力和變形限

3、制。
　　 針對(duì)以上問題，本論文主要從四個(gè)方面進(jìn)行了研究分析：第一部分根據(jù)葉片動(dòng)量葉素理論做初步的葉片設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出葉片及其周圍風(fēng)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)。第二部分在Gambit軟件中建立風(fēng)力機(jī)葉片及周圍風(fēng)場(chǎng)模型，并進(jìn)行了有效的網(wǎng)格劃分和設(shè)置了合適的邊界條件，采用數(shù)值模擬計(jì)算的辦法在Fluent軟件中對(duì)各工況進(jìn)行氣動(dòng)性能計(jì)算，得出了各工況下風(fēng)力機(jī)葉片及周圍風(fēng)場(chǎng)的速度、壓強(qiáng)等分布情況，并提取葉片轉(zhuǎn)矩、壓強(qiáng)分布等數(shù)據(jù)，進(jìn)行葉片功率及葉片效率計(jì)算，并對(duì)

4、數(shù)值模擬進(jìn)行了驗(yàn)證及分析。第三部分利用Gambit軟件中建立的風(fēng)力機(jī)葉片模型，首先在ansys軟件中對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析，而后基于頻率特性和各工況下葉片壓力分布對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行靜力學(xué)分析，獲取各工況下葉片應(yīng)力特性曲線和變形特性曲線，為改進(jìn)控制方法提供了重要途徑和方向。第四部分根據(jù)風(fēng)力機(jī)葉片在不同風(fēng)速、不同攻角、不同轉(zhuǎn)速下的葉片功率、葉片效率、葉片應(yīng)力和葉片變形曲線，提取了風(fēng)力機(jī)變速變槳距運(yùn)行的最佳工況點(diǎn)以及考慮了風(fēng)力機(jī)最大應(yīng)力和最大變形限