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大型风电叶片结构设计方法研究

马志勇  
【摘要】:风能作为绿色可再生能源,已受到世界各国的广泛重视。叶片作为风电机组的核心部件,其设计理论和制造技术被视为风电机组研发的关键。目前,国内有关叶片结构设计研究仍然面临巨大挑战,深入开展相关基础理论与技术研究,对尽快掌握风电机组核心技术,提高自主创新能力具有重要意义。在此背景下,论文针对风电叶片结构设计方法及其关键技术展开研究。 基于现有风电叶片设计基础理论,论文分析了叶片气动参数、结构参数的构成,探讨了相关坐标系的定义以及气动设计的常用方法。通过风电叶片构造分析,比较了强主梁叶片和弱主梁叶片的构造特点,分析了不同叶片承载结构的设计区别。研究了复合材料经典层合板强度理论、基于梁理论的等代设计方法在叶片承载结构设计中的应用。 论文基于风特性的分析,给出了一种用于小尺度条件下风速、风向和湍流强度计算的脉动风工程计算模型,该模型可用于随机气动载荷的计算分析。对主要载荷计算方法、风况描述模型和机组运行状态进行探讨,分析了机组运行状态与外部风况的组合条件,确定了载荷计算所需最少设计工况。研究了风电叶片载荷时序仿真计算方法,采用统计外推法及Gumbel分布模型对含有随机成分的最大载荷进行统计分析,给出了叶片极限载荷计算方法。 综合运用复合材料经典层合板理论、基于梁理论的等代设计方法,建立了叶片主要承载结构设计方法,并编制验证程序,进行实例计算,验证了方法的有效性。计算结果表明,采用复合材料经典层合板理论设计叶片结构铺层和采用基于梁理论的等代方法计算叶片层合板厚度都是可行的。通过对比分析,基于梁理论的等代设计方法更为简便,可为复合材料铺层计算提供依据,其中采用刚度条件的设计结果更为接近实际叶片,说明刚度在大型风电叶片结构设计中是关键约束。 针对以往叶片气动与结构独立设计的问题,论文分析了厚度、实度和扭角等参数对叶片气动和结构性能的综合影响,给出了翼型沿叶片展向合理分布的气动结构平衡设计方法。该方法提出结构系数κ的概念,将大型风电叶片分为侧重结构强度的内圈与侧重气动性能的外圈,内圈采用钝后缘翼型以提高叶片结构强度和刚度,外圈采用薄翼型以提高气动性能,合理解决了气动性能与结构强度的矛盾。研究了叶片变桨中心位置设计方法,通过对扭矩载荷的分析,给出了叶片截面变桨中心与重心重合的设计方案,有利于减小叶片运行过程中的扭矩载荷。


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