大型风力机叶片弯扭耦合特性研究及轻量化设计

发布时间：2020-08-26 04:44

【摘要】：随着风力发电机组叶片尺寸的增大,其柔度、质量和受到的载荷也相应增大。采用弯扭耦合设计的叶片在风载荷作用下,弯曲的同时产生扭转变形,从而改变叶片攻角,降低叶片承受的气动载荷。本文通过数值计算方法对叶片的弯扭耦合特性进行了分析,并在此基础上降低叶片质量,这对实现风机大型化和降低发电成本具有重要意义。主要研究内容及取得的结果如下:(1)在hGAST仿真平台中对风机进行非线性时域气动弹性模拟。在多体动力学框架下建立了风机的整体模型。基于叶素动量理论计算得到弯扭耦合叶片的气动载荷。根据IEC61400标准对风机载荷工况的定义,计算叶根部位的极限载荷,为接下来做叶片轻量化设计做准备。(2)大型风力机叶片的截面和材料铺层情况复杂,本文采用参数化设计语言APDL自底向上的建立了DTU 10 MW风力机叶片的详细三维有限元模型,提高了建模速度且可以更好的对其结构变形和应力分布进行模拟。最后通过质量和模态比较验证了模型的有效性。(3)通过改变梁帽的纤维铺层角度使叶片具有弯扭耦合特性。在额定工况下,设定叶尖扭转角度在2度到6度以0.5度的间隔变化,通过改变铺层角度和耦合区域的组合,得到设定的叶尖扭转角度,对叶片的弯扭耦合进行评估。(4)在保证叶片强度的前提下,降低弯扭耦合叶片材料铺层厚度,并观察应力的变化,从而实现叶片质量和发电成本的降低。当5度铺层和10度铺层叶片的材料铺层厚度分别降低5%和9%时,应力曲线与非弯扭耦合叶片的应力曲线拟合较好,相应的,叶片质量也分别下降了5%和9%。对减材后的叶片进行了极限强度校核和模态校核,以确保减材后的叶片满足极限强度要求且不会发生共振事故。本文的研究对大型风力机的减载荷,轻量化设计具有现实指导意义,并为实现叶片的大型化提供了可能性。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM315
【图文】：

弯扭耦合

提高生产效率。气动弹性裁剪可以通过两种方式实现，增大叶片入流角和减小叶片入流角，如图1-2 所示。（a）减小入流角（b）增大入流角图 1-2 弯扭耦合响应Lobitz[15]发现在失速控制型风机上增大叶片入流角可以降低叶片的极限载荷，从而扩大风机的运行风速范围，叶片尺寸在此基础上也可以进一步增大，提高发电效率。但是随后发现这种方式会造成叶片的实际疲劳损伤和震颤失稳[16]。因此最近的研究主要集中在通过减小入流角的方式实现叶片气动裁剪，因为其对脉动风响应迅速且可以有效缓解疲劳载荷[17]。Bottasso 等人[18]通过数值分析方法对比 2MW 风机同时采用主动和被动减载荷装置和单独采用其中一种减载方式的减载效果，发现减小

单层,纤维,正应力,主轴方向

图 2-1 单层板的应力[ ] = [ 11 12 16 12 22 26 16 26 66][ ] y方向上的正应力分量，为剪应力 2 6 = 1 2 6)为材料刚度系数。沿 X 或 Y 主轴平行排布时，刚度系数向上的正应力、应变完全解耦。相反的变与和耦合或者与其中之一耦板施加沿主轴方向的拉力，如图 2-2 所生剪切变形，如图中虚线箭头所示。

应力图,单层,应力,主轴方向

图 2-1 单层板的应力[ ] = [ 11 12 16 12 22 26 16 26 66][ ] 和为x y方向上的正应力分量，为剪应力；和为正。 ( = 1 2 6 = 1 2 6)为材料刚度系数。里的纤维沿 X 或 Y 主轴平行排布时，刚度系数 16和 26等与主轴方向上的正应力、应变完全解耦。相反的，如果纤维应力、切应变与和耦合或者与其中之一耦合。例如，给材料单层板施加沿主轴方向的拉力，如图 2-2 所示。则该单时还会产生剪切变形，如图中虚线箭头所示。

【参考文献】