水平轴风力机动态载荷响应分析

论文摘要

本文针对现代大型水平轴风力机结构和运行特点、结合外部环境和风力机国际标准,对系统载荷响应计算方法进行了研究。本论文基于广东省科技计划项目的研究课题“兆瓦级风力机总体设计技术研究及设计软件开发”。以1.5MW变速变桨距水平轴风力机为例,研究水平轴风力机系统的整机结构动力学特性,建立风力机系统的整机动力学分析模型,系统包括风轮、轮毂、机舱、塔架,分析由于气动力及负载变化而产生的动态响应,并考虑了整机模型的稳定性。首先气动计算部分采用精确的片条理论,考虑了叶片数的影响、轮毂损失、以及叶栅效应和叶尖损失等因素的影响,在计算风力机气动性能时,考虑动态尾流模型和动态失速模型,为风力机整机结构设计提供了计算基础。第三章对叶片和塔架的动态载荷进行了计算。利用模态法建立分别建立叶片、塔架的模型,选用矩阵迭代法计算其固有频率和振型,得到了和Bladed for Windows一致的结果,并且选用线性加速度法做了叶片、塔架的动力响应分析。第四章关于风力机转子/塔架耦合的动态载响应计算和稳定性分析。利用模态综合法法建立了风力机零部件和整机结构动力学分析模型。通过应用空气动力学模型来计算转子/塔架的气动载荷,计算了转子/塔架的动态响应,并对模型了做了稳定性分析,从而初步构成一个完整的风力机整机动力学模型分析方法。本文在进行整机的模态分析时,做了塔架-风轮-机舱基础的耦合动力学分析,并应用了模态综合法进行试验分析。此外,尽管本文已经建立了转子/塔架模型,但在子模型的结构处理上是借鉴了国内某风机模型,对整机系统的集成仍需要实际探索。尽管有这些阻碍,通过本文的研究,模态综合法在风力机总体设计中的优势已经得到了体现,该方法的将会有好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号说明
• 第一章 前言
• 1.1 选题背景及意义
• 1.1.1 国外风电发展现状
• 1.1.2 国内风电发展现状
• 1.1.3 风力机设计与制造技术现状
• 1.1.4 本课题的意义
• 1.2 论文的主要内容和技术路线
• 第二章 水平轴风力机气动设计理论
• 2.1 动量理论
• 2.2 叶素动量理论
• 2.3 有限叶片数影响
• 2.4 叶尖损失修正
• 2.5 轮毂损失
• 2.6 叶栅效应
• 2.7 失速修正
• 2.8 片条理论
• 2.9 动态尾流模型
• 2.10 动态失速模型
• 2.11 本章小结
• 第三章 叶片和塔架的动态响应分析
• 3.1 结构特性计算简介
• 3.1.1 坐标系的确定
• 3.1.2 风轮的载荷
• 3.1.3 塔架载荷
• 3.1.4 重力引起的载荷
• 3.1.5 离心力引起的载荷
• 3.2 结构载荷响应计算方法
• 3.2.1 模态法
• 3.2.2 矩阵迭代法
• 3.2.3 线性加速度法
• 3.2.4 叶片和塔架的动态响应分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 风力机转子/塔架耦合的动态响应分析
• 4.1 风力机结构动力学的研究方法
• 4.1.1 模态综合法
• 4.1.2 坐标系的建立
• 4.1.3 叶片的运动方程
• 4.1.4 塔架的运动方程
• 4.1.5 转子/塔架耦合的运动方程
• 4.1.6 转子/塔架固有频率计算
• 4.1.7 转子/塔架动态响应分析
• 4.1.8 转子/塔架系统的稳定性
• 4.2 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表论文情况