【正文】 ............................................ 31 ....................................................................................................................... 33 結(jié)論 ............................................................................................................................. 33 展望 ............................................................................................................................. 33 致謝 .......................................................................................................................................... 34 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................................ 35 共 37 頁 第 1 頁 新型 風(fēng)電機(jī)組葉片模型的三維建模與強(qiáng)度分析 摘要： 隨著環(huán)境問題的日益突出，能源供應(yīng)的漸趨緊張，對(duì)可再生能源的開發(fā)利用，尤其是對(duì)風(fēng)能的開發(fā)利用己受到世界各國(guó)的高度重視 。 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。本文論述了風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢(shì)及風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)在中國(guó)的發(fā)展及現(xiàn)狀，并結(jié)合風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況進(jìn)行了以下方面的探討。并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量從最初的數(shù)十千瓦級(jí)已發(fā)展到兆瓦級(jí) 。 近些年，隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對(duì)能源的需求持續(xù)增加，與此同時(shí)帶來的全球油價(jià)維持高位，天然氣價(jià)格不斷攀升等問題日益突出。 從裝機(jī)容量方面來看，世界風(fēng)能協(xié)會(huì) (WWEA)發(fā)布的《 2020 世界風(fēng)能報(bào)告》公布的一系列數(shù)據(jù)和資料表明風(fēng)力發(fā)電的迅速發(fā)展 :2020 年世界風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到 159213 MW，當(dāng)年新增容量 38312MW，增長(zhǎng)率達(dá) %，達(dá)到 2020 年以來最高的年增長(zhǎng)率 ?？偠灾L(fēng)力發(fā)電在美國(guó)、中國(guó)、印度以及歐洲部分國(guó)家的增長(zhǎng)仍將非常迅速。 發(fā)展風(fēng)電已是不 可逆轉(zhuǎn)的潮流，當(dāng)今世界風(fēng)電發(fā)展的趨勢(shì)是大型化、海洋化、調(diào)速化。德國(guó) RePower 公司和 Enercon 公司首先供應(yīng)了 SMW 和6Mw的風(fēng)力渦輪機(jī)。從 80年代中期開始，風(fēng)電發(fā)達(dá)國(guó)家開始研究風(fēng)機(jī)葉片專用翼型，通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的方法成功開發(fā)出許多專用翼型系列，比如美國(guó)Seri 和 NREL 系列，能有效減小由于葉片表面粗糙度增加而造成的風(fēng)輪性能下降 。碳纖維增強(qiáng)材料葉片 :對(duì)于大型葉片，為保證在極端風(fēng)載下葉尖不碰塔架，葉片必須具備足夠的剛度，剛度標(biāo)準(zhǔn)已成為新一代 MW 級(jí)葉片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。手糊工藝 :屬于傳統(tǒng)葉片成型工藝，也稱作濕法成 型，將纖維基材鋪設(shè)放在單模中，然后用滾或毛刷涂覆玻璃布和樹脂，常溫固化后脫膜，該法以手工勞動(dòng)為主，成本低，用于低成本、形狀復(fù) 共 37 頁 第 6 頁 雜制品。纖維纏繞工藝 :借鑒復(fù)合材料管道纏繞成型工藝而成，較其它各類成型工藝而言，制品強(qiáng)度高、質(zhì)量穩(wěn)定、可重復(fù)性好。丹麥 LM公司提出了 Future Blade”的概念，且己在其 54m 和 巨型葉片上使用了這種設(shè)計(jì)概念。 風(fēng)輪葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)要滿足一定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：年輸出功率最大化；最大功率限制輸出；振動(dòng)最小化和避免出現(xiàn)共振； 材料消耗最小化；保證葉片結(jié)構(gòu)局部和整體穩(wěn)定性；葉片結(jié)構(gòu)滿足適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度要求和剛度要求。缺點(diǎn)是從 CAD 軟件中導(dǎo)入的模型不適于網(wǎng)格劃分，需要做大量的修補(bǔ)工作，甚至由于安裝版本、轉(zhuǎn)換格式等限制導(dǎo) 共 37 頁 第 9 頁 致引入模型不完整等問題。 現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)通常是采用三葉片的上風(fēng)或下風(fēng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需要選取翼型。,39。 第一步：把一個(gè)葉素計(jì)算出的 x， y， z 坐標(biāo)數(shù)組，在 Excel 中的數(shù)據(jù)點(diǎn)排成 3 列。如圖 25 所示 : 共 37 頁 第 15 頁 圖 25 各葉素形成的曲面 翼型主要設(shè)計(jì)參數(shù) 機(jī)的機(jī)翼、輪船的螺旋槳，以及軸流式壓縮機(jī)、水輪機(jī)、泵（風(fēng)機(jī)）的葉輪葉片等， 共 37 頁 第 16 頁 其斷面形狀都是機(jī)翼形。 2） 翼型厚度 y 在垂直于翼弦方向上，翼型上下表面之間的各線段長(zhǎng)度，稱為翼型厚度，其中最大的厚度以 maxy 表示，最大厚度與翼弦的比值 maxy /L稱為最大厚度。 作用在葉片上的空氣動(dòng)力是風(fēng)力機(jī)最主要的動(dòng)力來源，也是各個(gè)零部件載荷的主要來源，其載荷主要包括揮舞方向和擺振方向的剪力與彎矩，以及變槳距時(shí)與變槳距力矩平衡的葉片俯仰力矩。 3）離心彎曲應(yīng)力 離心力： 2nnnn ?? RRFC R ?? （ 310） 式中： nF 其他符號(hào)同前。39。載荷可以在實(shí)體模型上或有限元模型上直接加載，最終都在有限元程序求解前轉(zhuǎn)化到節(jié)點(diǎn)或單元上 [19]。其值如表 32所示： 表 32 風(fēng)機(jī)葉片所受的簡(jiǎn)化載荷 截面編號(hào) xF （升力 N） yF （重力 +阻力 N） zF （慣性力 N） 1 2362 6400+130 2822 2 3012+96 1534 3 1467 1664+ 4 1424 +56 5 1341 + 2839 6 1082 237+46 7 660 67+30 8 39+22 9 305 + 由上表知模型個(gè)截面的三相載荷，從而在 ansys 中對(duì)模型施加載荷，先將坐標(biāo)系移至某一截面命令為 WorkPlane— Offset WP To— xyzLocations +，移至截面后在加載，ansys 加載的 GUI 命令為“ Solution — Define Loads — Apply — Structural —Force/Moment— On Nodes”選中相關(guān)區(qū)域，輸入載荷 。 從圖上可以看出， X方向的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力發(fā)生在距葉尖約 1/10 處的翼型截面的不同側(cè)上，其值分別為 M PaX a x, ?? ，M PaX in, ??? X方向應(yīng)變?nèi)鐖D 310所示。翼型形狀的優(yōu)化將是葉片優(yōu)化中永遠(yuǎn)不變的主題，在此 優(yōu)化中，可以選擇優(yōu)化翼型幾何參數(shù)，翼型材料等等。 Pro/e 軟件，基于截面坐標(biāo)，通過坐標(biāo)變換方法對(duì)葉片進(jìn)行了三維建模，為風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)者提供了一種較為方便、精確、快速的三維建 模方法，同時(shí)也給后續(xù)的葉片氣動(dòng)性能計(jì)算奠定了基礎(chǔ) 3. .考慮葉片實(shí)際連接情況，將其視為剛性連接，對(duì)葉片根部采用全約束簡(jiǎn)化為懸臂梁進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析。謹(jǐn)向老師表示衷心的感謝和崇高的敬意！ 感謝所有教過我的老師，你們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，勤勉的工作作風(fēng)，無私的精神給我留下了深刻的記憶。論文字里行間都凝結(jié)著導(dǎo)師的無私指導(dǎo)的結(jié)晶，感謝燕老師為我的學(xué)業(yè)付出的辛苦工作。由此，我們可以從加載方式上進(jìn)行優(yōu)化，如改變?nèi)~片安裝角，讓葉片受力方式簡(jiǎn)化成只受集中力和彎矩的作用等。 由以上分析可知：翼型種類、翼型在葉片中的排列位置及所加載荷均對(duì)葉片強(qiáng)度和剛度有一定的影響。其各個(gè)方向的應(yīng)力圖、位移圖、應(yīng)變圖分別如圖示 圖 37 總的位移圖 共 37 頁 第 26 頁 圖 38 X 方向位移圖 圖 39 X 方向應(yīng)力圖 共 37 頁 第 27 頁 圖 310 X 方向應(yīng)變圖 X方向的位移圖如圖 38 所示。將葉片所受的空氣動(dòng)力載荷簡(jiǎn)化為翼型截面的集中力載荷，因彎矩載荷由集中力載荷產(chǎn)生，所以在進(jìn)行有限元模擬中，對(duì)葉片模型施加集中力載荷與重力載荷；因本文是對(duì)單個(gè)葉片進(jìn)行模擬分析，要把葉片作為懸臂粱進(jìn)行約束，所以邊界約束條件就是對(duì)葉片根部截面的完全約束 由式（ 31）、式（ 32）計(jì)算出各截面升力、阻力載荷，由表 31中數(shù)據(jù)計(jì)算出慣性力載荷、重力載荷，對(duì)葉片截面依次加上升力載荷、阻力載荷、慣性力及重力載荷后，進(jìn)行求解。本文采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方式，主要從葉片的徑向和環(huán)向進(jìn)行劃分，在徑向方向考慮其縱向加強(qiáng)筋梯度變化為網(wǎng)格劃分控制點(diǎn)。 ?? （ 312a） iaiiuii MMM ??? c o ss in 39。 1）離心拉伸應(yīng)力 ? ? ?????? ??? ??? 1122 12i 411 iiiii FRRwF ??? 離 （ 33） 式中： ? 葉片密度； w 葉片旋轉(zhuǎn)角速度； R截面半 徑； F葉片截面面積 共 37 頁 第 18 頁 2）氣動(dòng)彎曲應(yīng)力 軸向氣動(dòng)力： ? ? ? ?? ?12212222 PPgVVzg RP aaa ???? ?? （ 34） iiCivTia bRqV ??2? i=1， 2.， 3?? （ 35） iaV 進(jìn)出口邊的軸面速度； vTq 理論流量； CiR 進(jìn)口邊處的軸面流體過斷面形成線的質(zhì)量中心半徑； 1b 上述形成線的長(zhǎng)度； 1? 排擠系數(shù)， 1? =1112Rzsu? (z葉片數(shù)， 1us 圓周厚度，其中 vTq , 1CR ,1b ， z, 1us已知 )。 5）攻角 翼弦與來流方向的夾角