兆瓦级直驱风力发电机叶片外形优化设计及其数值模拟分析

发布时间：2017-10-16 18:34

  本文关键词：兆瓦级直驱风力发电机叶片外形优化设计及其数值模拟分析

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【摘要】：随着经济的快速发展和人民生活水平的日益提高,导致各行各业对能源的需求量日益增长,同时也引起严重的环境问题。面对能源短缺、环境污染等问题,迫使各国开始努力开发和利用清洁、可再生型能源。风能因其洁净、无污染、可再生等优势备受各国青睐,且风能储量巨大,在利用的过程中不会造成任何的大气污染。风力发电机是风能的主要利用形式,而叶片是风力发电机的核心部件之一,其设计的好坏将直接影响风力发电机的发电效率、安全性能及其寿命。特别是近年来大功率风电机组的需求量不断增加,其质量的好坏直接影响着风电行业的经济效益。因此开展大型兆瓦级风力机叶片的外形设计研究及其气动性能分析显得非常必要。本文以1.5MW直驱风力发电机叶片作为研究对象,进行了风轮叶片气动外形的优化设计、风轮气动性能的计算以及风轮流场的数值模拟分析,研究了优化设计得出的叶片的气动、动力特性。主要开展的研究内容有:首先,基于风力发电机叶片设计的空气动力学基础理论和风轮气动性能计算,结合模拟退火的粒子群改进优化算法,推导并建立起叶片气动外形参数设计的优化模型;利用MATLAB软件编制了风力机叶片外形优化设计的计算程序以及对计算后的叶片弦长、扭角进行修正计算的程序。最终得到了既满足实际加工制造要求,又具有最大风能利用系数的风力机叶片的各外形参数。其次,基于动量-叶素理论,对优化设计得到的风力机叶片进行了风轮气动性能预估计算,并根据计算结果证明了所设计的叶片符合设计要求。再根据叶片修正后的外形参数和各截面翼型,结合翼型坐标空间转换理论,利用MATLAB软件和Pro/E软件建立了风力机叶片的三维实体模型。最后,针对风力机叶片的气动特性以及叶片周围流场的流动状况进行了风轮周围流场的数值模拟分析,分析了风轮叶片在额定工况下沿叶展方向上的不同截面处的气流流动状况、不同截面处的压力分布情况以及不同来流风速下的叶片压力;并且在流场分析的基础之上,探究了流场作用下的预应力对风力机风轮动力特性的影响。通过分析叶片不同截面处的速度和压强变化、不同来流风速下叶片的压力云图,得出风轮叶片周围流场流动的规律和叶片上下表面压力状况,为叶片进一步改进设计提供了数据依据;由流场分析得出的风轮转矩,计算出风轮的输出功率和风能利用系数,并与基于动量-叶素理论计算的结果进行比较,证明了理论计算结果的正确性,同时再一次说明叶片设计的有效性;通过分析在流场作用下的风轮受力、变形情况及预应力作用下的风轮振动情况,得出设计出的风轮叶片在额定工况下运行不会发生共振现象,可以正常运转。
【关键词】：直驱风力机 叶片设计 改进粒子群算法 气动性能 数值模拟 动力学特性
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-22
• 1.1 课题研究背景与意义11-14
• 1.1.1 课题的研究背景11-13
• 1.1.2 课题研究目的及意义13-14
• 1.2 国内外课题相关的研究现状14-21
• 1.2.1 兆瓦级直驱风力机的发展状况15-17
• 1.2.2 风力机叶片优化设计研究现状17-20
• 1.2.3 风力机叶片数值模拟研究现状20-21
• 1.3 课题的研究内容21-22
• 第二章 风力机空气动力学理论22-34
• 2.1 风力机空气动力学基础理论22-29
• 2.2.1 动量理论22-24
• 2.2.2 叶素理论24-25
• 2.2.3 动量-叶素理论25-26
• 2.2.4 叶尖和轮毂损失修正26-27
• 2.2.5 叶栅效应27-28
• 2.2.6 失速修正28
• 2.2.7 风轮叶片三维效应28-29
• 2.2 风力机叶片外形设计理论29-30
• 2.3 风力机风轮气动性能的计算方法30-33
• 2.3.1 动量-叶素理论方法30-32
• 2.3.2 尾涡气动方法32
• 2.3.3CFD方法32-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第三章 风力机叶片气动外形优化设计34-52
• 3.1 基于模拟退火的粒子群优化算法34-39
• 3.1.1 基本粒子群优化算法34-35
• 3.1.2 模拟退火算法35-36
• 3.1.3 改进的粒子群优化算法36-39
• 3.2 风力机叶片优化设计模型建立39-42
• 3.2.1 叶片设计理论39
• 3.2.2 优化设计变量39-40
• 3.2.3 优化目标函数40
• 3.2.4 优化约束条件40-41
• 3.2.5 叶片设计算法的实现41-42
• 3.3 风力机叶片优化设计实例42-51
• 3.3.1 风力机叶片特征参数42-47
• 3.3.2 风力机叶片优化设计47-51
• 3.4 本章小结51-52
• 第四章 风力机风轮气动性能计算52-59
• 4.1 气动性能计算模型52-54
• 4.2 叶片修正后的外形参数54-55
• 4.3 气动性能计算流程图及结果55-57
• 4.4 本章小结57-59
• 第五章 风力机风轮流场数值模拟59-81
• 5.1 建立叶片三维模型59-62
• 5.1.1 叶片各截面的空间坐标59-60
• 5.1.2 叶片截面坐标变换计算60
• 5.1.3 叶片的Pro/E实体建模60-62
• 5.2 风轮CFD数值模拟62-69
• 5.2.1 计算流体力学基础62-64
• 5.2.2 建立风场模型64-65
• 5.2.3 流场网格划分65-68
• 5.2.4 流场边界条件68-69
• 5.2.5 设置求解参数69
• 5.3 CFD数值模拟结果及分析69-76
• 5.3.1 迭代结果收敛情况69-71
• 5.3.2 CFD数值模拟结果71-75
• 5.3.3 风轮气动性能计算75-76
• 5.4 风轮动力特性分析76-79
• 5.5 本章小结79-81
• 第六章 工作总结与展望81-83
• 6.1 工作总结81-82
• 6.2 工作展望82-83
• 参考文献83-87
• 致谢87-88
• 攻读学位期间发表学术论文目录88-89
• 附录I89-91
• 附录II91-94
• 附录III94-95

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本文编号：1044292