風力機葉片氣動特性和應力分布及其安全控制策略.pdf

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

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

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

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