大型風(fēng)電機(jī)組整機(jī)及關(guān)鍵部件仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、由于環(huán)境惡化、能源危機(jī)等因素,風(fēng)力發(fā)電技術(shù)成為人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注焦點(diǎn)。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量增大,復(fù)雜程度的增加,加上海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的興起,對(duì)我國(guó)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自主設(shè)計(jì)和制造水平上提出了更高要求。我國(guó)在風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計(jì)與國(guó)際水平還存在較大差距,尤其在整機(jī)建模、性能仿真、載荷計(jì)算等方面尚存許多問題沒有解決。本文課題來(lái)源于重慶市科技計(jì)劃重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目“風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)”,以大型2MW變速變槳水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2、的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。由此,論文研究的主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)如下:
　　 第一章分析了風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及研究熱點(diǎn),提出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)仿真及優(yōu)化的技術(shù)需求,綜述了國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、系統(tǒng)建模仿真分析以及零部件優(yōu)化技術(shù)的研究現(xiàn)狀,從而提出了風(fēng)電機(jī)組整機(jī)及關(guān)鍵零部件仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究,給出了論文的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)。
　　 第二章提出了風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力問題的一種新理論——BEM-GDW綜合理論。針對(duì)在風(fēng)力機(jī)氣

3、動(dòng)性能計(jì)算時(shí)廣泛使用的修正后的葉素動(dòng)量理論(BEM),指出它仍存在無(wú)法考慮三維氣動(dòng)效應(yīng)以及時(shí)間遲滯等缺陷。同時(shí)引出另一種理論廣義動(dòng)態(tài)尾流理論(GDW),指出它的優(yōu)點(diǎn)與BEM比較它可以描述風(fēng)輪盤上更一般的壓力分布,它存在時(shí)間遲滯,同時(shí)風(fēng)輪的誘導(dǎo)速率能夠從一系列一階微分方程得出,避免了使用迭代,但它的缺點(diǎn)是在低風(fēng)速下此方法計(jì)算很不穩(wěn)定。為了彌補(bǔ)兩個(gè)理論存在的不足,將兩理論綜合在一起,提出了BEM-GDW綜合理論,同時(shí)考慮了動(dòng)態(tài)失速的影響,并

4、將此理論在Matlab中實(shí)現(xiàn)。
　　 第三章結(jié)合項(xiàng)目,對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)進(jìn)行模擬仿真,計(jì)算了各關(guān)鍵零部件載荷。詳細(xì)闡述了某大型2MW變速變槳水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的建模過程,模塊特征和參數(shù)定義。將各個(gè)模塊的特性以及參數(shù)對(duì)模型的影響都進(jìn)行了詳細(xì)的研究,根據(jù)實(shí)際風(fēng)場(chǎng)特點(diǎn),按照GL規(guī)范將風(fēng)力機(jī)在外部條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)載荷工況的定義。建立了風(fēng)力機(jī)整機(jī)系統(tǒng)模型,對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)仿真,從而獲得風(fēng)電機(jī)組各個(gè)零部件的極限和疲勞載荷。這對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

5、設(shè)計(jì)的各個(gè)零部件的驗(yàn)證以及后續(xù)的設(shè)計(jì)都起到了指導(dǎo)作用。同時(shí)還對(duì)海況進(jìn)行初步研究,為以后的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究奠定了基礎(chǔ)。
　　 第四章提出了對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在冰載條件下的研究。首次以冰載條件下的風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象,通過數(shù)值模擬的方法,分析了冰載對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片翼型、功率以及年發(fā)電量的影響。在Matlab中,基于BEM-GDW綜合理論開發(fā)了計(jì)算冰載影響因素的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能、功率及年發(fā)電量的程序,并以某2MW變速變槳型風(fēng)力機(jī)為例進(jìn)行了性能

6、仿真,將所得的功率曲線與GH Bladed軟件的結(jié)果進(jìn)行比較分析,驗(yàn)證了該數(shù)值模擬方法的正確性和實(shí)用性。
　　 第五章基于BEM-GDW綜合理論,考慮實(shí)際年風(fēng)速分布概率,以年發(fā)電量最大為目標(biāo),結(jié)合遺傳算法搜索尋優(yōu),建立葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)程序。運(yùn)用此程序,對(duì)某2MW水平軸風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后的風(fēng)力機(jī)葉片的扭角、弦長(zhǎng)及相對(duì)厚度的分布均保持光滑并連續(xù)性過渡,便于生產(chǎn)和加工。同時(shí)葉片捕風(fēng)能力與年發(fā)電量較之原葉片都大大提高,具有一定的

7、理論和工程實(shí)用價(jià)值。
　　 第六章基于風(fēng)力機(jī)整機(jī)的穩(wěn)定性,提出了一種研究風(fēng)力機(jī)塔筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化的新方法。該方法以減小系統(tǒng)振動(dòng)為目標(biāo)函數(shù),塔筒的直徑和壁厚為優(yōu)化參數(shù),通過強(qiáng)度、變形量及質(zhì)量等作為約束條件建立優(yōu)化模型,利用內(nèi)點(diǎn)懲罰函數(shù)法求解此優(yōu)化問題,最后運(yùn)用坎貝爾圖(Campbell圖)對(duì)葉片與塔筒耦合的風(fēng)力機(jī)整機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。應(yīng)用此方法對(duì)某2MW水平軸風(fēng)力機(jī)塔筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化同時(shí)用有限元軟件加以驗(yàn)證,整機(jī)的穩(wěn)定性能得到很大改善