風(fēng)電機(jī)組組合式葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究.pdf

1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的核心部件，其設(shè)計(jì)理論和制造技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組研發(fā)的關(guān)鍵。隨著機(jī)組單機(jī)容量的不斷增加，葉片越來越長(zhǎng)，使得制造和長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)碾y度和成本也不斷增大，制約了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的大型化發(fā)展。為此，采用組合式葉片，分段制造，分段運(yùn)輸，現(xiàn)場(chǎng)組裝的方案可以有效的解決制造和運(yùn)輸?shù)碾y題。在國(guó)家科技支撐“5.0MW雙饋式變速恒頻近海風(fēng)電機(jī)組整機(jī)設(shè)計(jì)、集成及示范”(2009BAA22B02)項(xiàng)目的資助下，圍繞組合式葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)

2、構(gòu)設(shè)計(jì)的方法、理論及其關(guān)鍵技術(shù)的研究，主要開展了如下工作:
　　(1)研究了葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)的基本理論和方法?；趧?dòng)量葉素理論，建立了葉片的數(shù)學(xué)模型，利用改進(jìn)的自適應(yīng)遺傳算法優(yōu)化設(shè)計(jì)了5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片，計(jì)算了葉片展向各截面的弦長(zhǎng)和扭角數(shù)據(jù)，并分析了葉片的氣動(dòng)性能。結(jié)果表明，采用自適應(yīng)遺傳算法能夠得到較理想的氣動(dòng)參數(shù)。
　　(2)在整個(gè)壽命周期中，葉片時(shí)刻都受到包括氣動(dòng)力、重力、慣性力、運(yùn)行控制產(chǎn)生的附加力等多種力的耦合作用

3、。論文基于風(fēng)特性的分析，給出了極端風(fēng)速下的湍流風(fēng)模型，根據(jù)IEC61400標(biāo)準(zhǔn)，利用GHBladed軟件計(jì)算了葉片多種極限運(yùn)行工況，給出了葉片極限載荷的選取原則，確定了5MW葉片的極限載荷。
　　(3)主梁是葉片的主要承載部件，是葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。研究了傳統(tǒng)葉片主梁的結(jié)構(gòu)類型，采用了單梁帽雙腹板的主梁結(jié)構(gòu)形式?；诓牧狭W(xué)理論，建立了以重量和慣性矩為設(shè)計(jì)目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，采用多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，并通過算例驗(yàn)證了方法

4、的合理性和可行性。
　　(4)根據(jù)復(fù)合材料層合板理論和梁理論，以強(qiáng)度和剛度為約束條件，研究了大型葉片結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計(jì)的理論方法，并在葉片的蒙皮、梁帽、以及腹板等部位采用了碳纖維/玻璃鋼混合鋪層，利用有限元法對(duì)葉片各部位的強(qiáng)度進(jìn)行了校核計(jì)算，結(jié)果表明碳纖維/玻璃鋼混合鋪層能明顯提高葉片的強(qiáng)度，并對(duì)葉片振動(dòng)特性和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。
　　(5)根據(jù)葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)載荷分布特征，確定了組合葉片的分段位置。按照可拆卸、易安裝的原則，設(shè)計(jì)了組

5、合式葉片的梁帽、腹板、蒙皮等各部位連接接頭的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。根據(jù)材料力學(xué)理論計(jì)算了各連接部位螺栓的直徑，確定了連接頭的鋪層方案，并對(duì)連接部位的鋪層厚度和對(duì)接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，校驗(yàn)了各部件的強(qiáng)度，結(jié)果表明，滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度求，鋪層設(shè)計(jì)方法可行。
　　(6)通過組合葉片和整體葉片的對(duì)比分析，總結(jié)葉片分段位置處復(fù)合材料多釘連接的承載分配規(guī)律，葉片梁帽、腹板、蒙皮等關(guān)鍵部位的應(yīng)力、應(yīng)變、位移、振動(dòng)特性、穩(wěn)定性等變化規(guī)律，分析了極限載荷在