大型風(fēng)電機(jī)組柔性葉片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、大型風(fēng)電機(jī)組復(fù)合材料葉片在實(shí)際運(yùn)行過程中，受氣動力、彈性力及慣性力等作用，容易引起揮舞、擺振及扭轉(zhuǎn)非線性變形,該變形與氣動力相互耦合，極易發(fā)生氣彈耦合振動，這種不穩(wěn)定振動將導(dǎo)致整個葉片失效斷裂,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會影響。故需尋求一種新的思路和方法解決這些工程實(shí)際問題。論文正是圍繞這一艱難而又誘人的主題展開。針對西部典型風(fēng)況的環(huán)境因素，對葉片區(qū)域風(fēng)速載荷的數(shù)學(xué)模型、超大型柔性葉片氣動與結(jié)構(gòu)耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、流固耦合效應(yīng)下葉片動力

2、學(xué)特性及大型風(fēng)電機(jī)組葉片運(yùn)行不穩(wěn)定性機(jī)理等問題進(jìn)行深入研究和探索。研究中獲得的主要結(jié)論如下:1
　　(1)基于酒泉地區(qū)某測風(fēng)塔觀測的標(biāo)準(zhǔn)高度風(fēng)速數(shù)據(jù),考慮垂直風(fēng)切變，采用牛頓-拉夫遜（Newton-Raphson）算法進(jìn)行了風(fēng)電機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)高度和輪轂高度下的風(fēng)速分布參數(shù)估計(jì)，得到了標(biāo)準(zhǔn)高度（10m）及輪轂高度（60m）下的風(fēng)速分布模型，該模型可求解不同區(qū)域環(huán)境下的風(fēng)速問題，克服傳統(tǒng)方法計(jì)算精度不高等問題。得出區(qū)域風(fēng)速分布模型的分布曲線

3、。在標(biāo)準(zhǔn)高度與輪轂高度的風(fēng)力狀況，尤其是平均風(fēng)能密度呈現(xiàn)較大差異，風(fēng)速分布形式不同，兩參數(shù)的威布爾分布較瑞利分布具有更大的適用性，極大似然估計(jì)法較最小二乘法更為精確。
　　(2)對葉片主要功率產(chǎn)生區(qū)翼型在不同攻角及雷諾數(shù)下升阻力系數(shù)及速度分布特征進(jìn)行了仿真模擬分析，求解了風(fēng)輪的誘導(dǎo)因子、法向力系數(shù)、切向力系數(shù)。采用BEM方法所得的扭角值在葉根附近呈現(xiàn)最大值，這一結(jié)果不僅增加了攻角的敏感性，而且不利于葉片設(shè)計(jì)與制造，Willson模

4、型因保證葉片功率系數(shù)最大，忽略風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際功率輸出限制，未對葉片弦長及扭角進(jìn)行有效約束，采用該模型計(jì)算所得氣動弦長及扭角值較大，而改進(jìn)動量模型法考慮了葉尖及輪轂損失影響，外形參數(shù)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工況接近。
　　(3)提出一種新的風(fēng)電機(jī)組葉片氣動優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。在該模型中，考慮了輪轂損失、葉片寬度及厚度，采用迭代法對葉素誘導(dǎo)因子進(jìn)行求解，并編制相關(guān)計(jì)算程序，葉尖速比在4～7.5范圍內(nèi)時，葉片所受軸向推力減小，進(jìn)而減小整機(jī)載荷，同時有效

5、提高葉片捕風(fēng)能力與年發(fā)電量。另外，使弦長及相對厚度的分布均保持光滑并連續(xù)過渡，以便于制造。據(jù)此建立了葉片主梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化結(jié)果表明前緣鋪層厚度變化不明顯，葉片中部主梁帽鋪層厚度、后緣寬度及夾芯層的鋪設(shè)量顯著減小。
　　(4)針對復(fù)合材料葉片鋪層設(shè)計(jì)中多目標(biāo)、多約束特點(diǎn)，采用遺傳算法，以葉片的扭角、弦長、主梁、前緣及后緣的鋪層厚度為設(shè)計(jì)變量，以葉尖變形和風(fēng)力機(jī)輸出功率為約束，柔性葉片的質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)。計(jì)及葉片的扭轉(zhuǎn)及彎曲

6、變形，建立葉片氣動與結(jié)構(gòu)耦合優(yōu)化模型，因計(jì)入葉根、葉尖處損失，優(yōu)化后葉尖處弦長為遞減狀態(tài)，與實(shí)際工況相符；扭角優(yōu)化值剛性條件下整體有增加趨勢，且扭角在功率的主要貢獻(xiàn)區(qū)有所增大，可彌補(bǔ)因弦長減小導(dǎo)致的能量損失，提高復(fù)合材料葉片有限元建模的精確性。
　　(5)基于氣動彈性穩(wěn)定性的物理因素與葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的耦合特性，提出一種新的葉片流固耦合分析方法，解決了在葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中氣動載荷加載這一關(guān)鍵性問題。直接將壓力分布耦合加載到葉片有限