【正文】 由計算得出葉根的載荷，如圖 3圖 38 所示。] Time =100 s Blade 1 Fx Blade 1 Fy Blade 1 Fz [N] Blade station radius [m] 20xx0 40000 0 20xx0 40000 60000 80000 100000 120xx0 140000 160000 180000 20xx00 0 5 10 15 20 25 30 35 由圖 35 和圖 36 可知，在風力機葉片上的不同位置，即距葉根中心不同距離的各翼型截面上的載荷分布情況。設定風剪切指數(shù)為 ，正常運行時額定風速為 ,葉輪轉(zhuǎn)速 22r/min，縱向湍流密度 %；由 Improved von karman（ 3D von karman）模型生成縱向、橫向和垂直三個方向上的 秒時的湍流仿真，如圖 34?，F(xiàn)階段， Bladed 計算 模塊可以模擬得到的載荷主要有：正常啟動、正常停機、正常運行、空轉(zhuǎn)、停機等不同種風力發(fā)電機運行狀態(tài)下載荷。在葉片坐標系下，葉片上每一個單位長度上的輪廓斷面的重力分解到各坐標軸上的分力分別為： ?????c o sc o ss in)(s inc o ss in)(c o sc o s)(tgrmFtgrmFtgrmFisgzisgyisgx????????? 其中 )(rmi 表示在 r 處的葉素集中質(zhì)量； t? 表示葉片旋轉(zhuǎn)方位角，取 ??t ； ?表示軸傾角，取 ?? ； ? 表示槳距角； 在葉根坐標系當中，重力載荷的計算： 重力拉力： ?co sco s)( tg d rrmF Rr ibgx ?? ?? 重力剪力： ?co ss i n)( tg d rrmF Rr ibgy ??? ?? 重力彎矩： ?co ss i n)( tg d rrrmM Rr ibgz ??? ?? 重力扭矩： drzzgrmM CGRr ibgx )()( ?? ?? 風力發(fā)電機葉片載荷的計算 在這里以額定功率為 的風力發(fā)電機葉片為例，應用 Blade element momentum方法進行葉片的載荷計算 。由于葉片是風力機主要的載荷來源，其特性和大小對風力機的零部件設計、關鍵部件的力學特性、強度分析、疲勞分析，以及整個機組系統(tǒng)的穩(wěn)定性和壽命影響很大 ，所以，對風力發(fā)電機進行載荷的計算及特性研究顯得尤為重要。之間。在仿真計算的基礎理論中這一種時間序列值假設過程為平穩(wěn)過程。 [25] 模擬的時間歷程主要由所描述的功率譜密度函數(shù)和相關函數(shù)及相位的隨機數(shù)。 m 變化范圍為 1和 2N 之間， 這里 N 指的是時間歷程中離散點的數(shù)量 (t i t??? ， 1, ,iN? ??? )。時間歷程的高頻部分是小型渦導致 的，對空間的影響相對較小。 10minv 是指 10min 內(nèi)平均風速； l 是指長度標尺，當 30lm? 時， 20lh? （ h 是距離地面高度 ） ，而當 30hm? 時， 600lm? ?？倳r間為 T t N??? 。其作法是 通過逆傅里葉變換 (IFFT)將 頻域中的風特性轉(zhuǎn)換成時域中的時間序列值。從計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)微錐內(nèi)螺紋與標準外螺紋的配合確實大大地改善軸向力在旋合各圈螺紋牙間的分布，很好的降低螺紋根部應力，進而提高螺栓聯(lián)接的聯(lián)接強度，提高了高強度螺栓連接的可靠性。為了保證螺栓聯(lián)接既不會在最大載荷下發(fā)生靜強度斷裂，也不會在循環(huán)載荷下發(fā)生疲勞破壞，就必須對螺栓聯(lián)接進行靜強度和疲勞強度校核。隨著機組的大型化，葉片更長更柔，采用根部打孔安裝，葉片與輪轂或者變槳軸承的螺栓聯(lián)接成為承受交變載荷最復雜的，工況最惡劣的聯(lián)接部位 。 [9]風力機葉片的載荷分布也不規(guī)則 ，求取復合材料風力機葉片結(jié)構(gòu)的解析解非常困難，所以有限元法開始在風力機葉片結(jié)構(gòu)分析中廣泛應用。與此同時， 6 兆瓦風電機組的研發(fā)工作發(fā)展順利，將于 20xx年上半年出產(chǎn)。 [8] 國內(nèi)風電發(fā)展現(xiàn)狀 從 20xx 年以來，我國風電裝機容量年均增長率達到 70%以上。美國 GE WIND 是世界主要的風力發(fā)電機供應商之一，于 20xx 年進入風電業(yè)務領域，截至 20xx 年底，裝機總量排名全球第四。風電在未來 20 年內(nèi)將是世界上發(fā)展最快的能源。在過去的 5 年間，風電發(fā)展不斷超越其預期的發(fā)展速度，而且一直保持著世界增長最快能源的地位。 analizing the causes of blade root connection fracture failure, design?；贐lade 軟件，輸入仿真風文件進行葉片載荷的仿真模擬計算，并對正常 風況和極端風況輸出載荷譜對葉片及葉根的載荷特性進行分析。考慮到風力機運行工況范圍較廣，選取 典型風況進行 載荷 計算。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。s Root and Connection Design of Largescale Wind Turbine 畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。 、圖表要求： 1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準請他人代寫 2）工程設計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應符合國家技術標準規(guī)范。 根據(jù)三維風模擬理論。 simulating the threedimensional wind。風能是一種無污染的可再生能源，根據(jù)世界氣象的組織的統(tǒng)計報告，我們可以清楚的知道世界總風能大約有 3X1017KW，而能夠被開發(fā)的風能為 2X1010KW，可見開發(fā)、利用風能資源 ，代替石油，煤炭等不可再生能是非常有效的手段。近年來，在歐洲大力發(fā)展風電產(chǎn)業(yè)的國家還有法國、英國、葡萄牙、丹麥、荷蘭、奧地利、瑞典、愛爾蘭。 20xx 年風電設備制造企業(yè)排名前五的企業(yè)為丹麥 VESTAS、美國 GE WIND、中國華銳、德國 ENERCON、中國金風，占據(jù)了國內(nèi)外 %市場份額。丹麥 RASIO實驗室主要致力于風能領域中的 風力發(fā)電氣象學，空氣動力學模型，優(yōu)化和降低成本，風力發(fā)電能源系統(tǒng)，新的概念，部件和材料及海上風力發(fā)電的研究與開發(fā)。 [5]20xx 年國家能源委員會成立，把能源發(fā)展戰(zhàn)略決策納入國務院層面進行考量，《國務院關于加快 培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》，使風力發(fā)電的整體創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)發(fā)展達到世界領先水平；《可再生能源法》（修正案）于 20xx 年 4 月 1 日開始實施，使風力發(fā)電在產(chǎn)業(yè)指導與技術支持、推廣與應用、政策與經(jīng)濟激勵的具體操作上有法可依，風電從此步入理性發(fā)展階段。 20xx 年風電設備制造企業(yè)排名前五的企業(yè)為丹麥 VESTAS、美國 GE WIND、中國華銳、德國ENERCON、中國金風，占據(jù)了國內(nèi)外 %市場份額。 [8] 葉根聯(lián)接研究現(xiàn)狀及存在問題 風力發(fā)電機組由葉片、輪轂、主軸、機艙和塔筒等組成，為了加工和運輸方便，塔筒一 般由 3 到 4 段圓柱筒或者錐形桶通過法蘭聯(lián)接而成。重慶大學何玉林等 [10]人對風力發(fā)電機組輪轂和葉片軸承連聯(lián)接螺栓進行了有限 元分析，該分析僅在較少工況下對螺栓、輪轂和軸承所受應力進行了分析。文獻 [14]通過改變外螺紋齒根到齒中徑的距離，開發(fā)了一種等載特種螺紋結(jié)構(gòu)，文獻 [15]通過對螺母螺紋牙單側(cè)面進行切削，確保螺母的螺距不再相等，進而使得每圈螺紋受力趨于相等或者近似相等。結(jié)合風力機在實際運行的過程中葉根聯(lián)接失效比較嚴重這一現(xiàn)狀，對原有聯(lián)接螺栓重新設計改進，以降低葉根螺栓發(fā)生斷裂失 效的幾率，提高聯(lián)接的可靠性，改善葉根聯(lián)接的運行狀況。并將設計的新型螺栓與原有的螺栓進行有限元分析對比，驗證新型螺栓的優(yōu)越性。 [19][20] 通過功率譜密度函數(shù)，構(gòu)建出來的時 間歷程這一種方法稱之為逆離散傅里葉變換 。綜上所述， 將功率譜密度函數(shù)標準化為： ( 2 )1( ) 1f N TfTP S D f d f???? (214) 如果標準偏差為 1，湍流強度為 10min1Iv? 。非對角線上的項是互功率譜的幅值。 圖 22 風力機風速時間歷程點的分布 一般通過空間內(nèi)插方法就可以求得掃略網(wǎng)格葉片上的速度。 TurbSim 是一個隨機的、全域的、湍流風模擬器， TurbSim 基于統(tǒng)計模型，而不是基于物理模型，它通過數(shù)值方式仿真固定在空間中的 矩形網(wǎng)格里某一個點 X、 Y、 Z 三個方向的風速時間序列值。 4m/s 之間，且具有較強的隨機性，數(shù)值變化相對 X 方向較慢；而圖 28 表明， Z 方向的風速變化主要集中于 177。國際三大標準，即國際電工委員會（ IEC）、德國船級社（ GL）和丹麥 DS 標準對風力機的載荷都有詳細的規(guī)定。 在葉片坐標系下，依據(jù)葉素理論把葉片上每個單位長度上的輪廓斷面的空氣動力為： )s inc o s(21)c o ss in(2122??????dlsazdlsayCCcWFCCcWF?????? 而在葉根坐標系中，我們可以把作用在葉片單位長度上的空氣動力載荷表示如下（通過葉片到葉根的坐標系變換得到）： )s inc os(21)c oss in(2122??????dlbazdlbayCCcWfCCcWf?????? 式中： W 表示垂直來流風速， ?表示空氣密度， C 表示弦長， Cl、 Cd 分別表示剖面翼型升力系數(shù)和阻力系數(shù)， ?表示攻角， ?表示來流角。靜態(tài)計 算得到的數(shù)據(jù)主要用于風力機的前期設計，并用這些數(shù)據(jù)進行風力發(fā)電機的固有特性分析。由于作用在整個風電機組的外部載荷主要是由風況條件決定的，從機組安全運行角度考慮，在設計葉片載荷時一般需描述兩種風況條件。powprod39。說明風力機工作在正常工況下時，其葉片根部受到的載荷最大，即葉根處最易發(fā)生疲勞破壞，這與現(xiàn)場收集的葉片 事故多為葉根聯(lián)接失效的實際情況是相符的。] B。值得注意的是：在葉根位置，無論是力還是力矩都顯示出最大值（除 Z 方向的彎矩變化不大）。為了提高計算結(jié)果的準確性，一般前 10 秒的模擬數(shù)據(jù)不作為參考，等計算過程進入穩(wěn)態(tài)后，再將計算結(jié)果輸出。具體參數(shù)如下表 33 所示 ： 表 33 葉片參數(shù) 截面號 距葉根距離 /m 弦長 /m 扭角 /(176。此軟件其中一項功能即是進行風力發(fā)電機組的載荷計算，主要包含靜態(tài)計算與動態(tài)計算。本文分別對葉片、葉根建立了坐標系如圖 31,圖 32,所示： 葉片載荷分類及主要載荷確定 1. 空氣動力載荷（記作 a ） [31] 葉片上的載荷包括擺振方向的剪力和彎矩、揮舞方向的剪力與彎矩以及與變槳距力矩平衡的葉片俯仰力矩。 3 葉片載荷計算及分布研究 風力發(fā)電 機的工作環(huán)境是相當復雜的，風力發(fā)電機在運行的過程中所承受的載荷也是極其復雜的。 [30] 目前，產(chǎn)生湍流風模型中主要是通過 Von Karman 模型和 Kaimal 模型來完成，雖然兩個模型的交叉頻譜密度函數(shù)和自頻譜的形式有一些不同，但是這兩款模型被普遍認為是真實大氣湍流的最完好的表達。目前，產(chǎn)生風文件的模擬器主要有 TurbSim 、 Bladed[26]等軟件，當然還有通過 Matlab/Simulink 編寫形成風文件的仿真程序。為保證空間各點相關性， Mann,－斯托 斯克方程。 [22]標準 472DS 已經(jīng)為我們給出了一種可能的選擇： 1 0 m i n( , ) e x p [ 1 2 ( ) ]jkc o h L f f L v?? (217) 文獻 ［ 10］ 中提供的方法能產(chǎn)生所描述的功率譜密度函數(shù)和相關函數(shù)的三維風，下面僅僅給出算法。 通過方程 (213)，就能極其簡單地計算準確且所與描述的功率譜密度函數(shù)一致的離散時間歷程。若假設所選的信號是具有周期性的，那么可以使用離散傅里葉變換時間歷程分解成： ? ? ? ?20 1 2( ) c o s s i n ,Nn n n n nn nu t a a t b t T?? ? ??? ? ? ?????? （ 21） 其中系數(shù)為：0 11NiiauN ?? ? 122c o s ( ) , 1 ,