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兆瓦级水平轴风力发电机叶片的非线性动态特性分析

作　者: 初世明
导　师: 曹登庆
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 一般力学与力学基础
关键词: 风力机叶片气动弹性理论非线性振动多尺度法振动分析
分类号: O322
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

风力发电作为风能利用的主要方式而备受关注。叶片是风力机的关键部件之一,叶片气动特性的优劣是风力发电机运行的关键,水平轴风轮叶片作为弹性体在运行中由于气动力、弹性力和惯性力的耦合作用而引起的不稳定振动,常常是导致风力机结构破坏的重要原因之一,叶片的气动弹性稳定性问题一直是人们所关注的研究课题。迄今为止的主要研究成果都集中在风力机叶片的设计、线性稳定性分析,对于叶片的非线性模型的建立尚不系统和完善,涉及叶片非线性稳定性分析以及稳定裕度分析的研究工作尚不多见。本文以国内某风力机生产厂家的某型号风力机为研究对象,根据叶片的气动力学知识建立了该叶片的简化非线性动力学模型,并对该模型的参数激励主共振,参数激励1/2和1/3亚谐共振进行了分析,其主要内容如下:1.介绍了风力发电机叶片的主要几何参数,根据叶片的空气动力学特性,叶素理论,以及一系列对涡流的修正方法,完成了对叶片单元所受气动力的推导。2.通过简化叶片模型,引入合理的假设,导出了其横向振动的非线性动力学模型,并结合叶片的气动弹性动力学分析结果,得出较完整的单自由度简化叶片非线性动力学模型。3.采用多尺度法,较为系统、全面地研究了叶片可能发生的几种非线性动力学现象,其中包括参数激励主共振,参数激励1/2和1/3亚谐共振的解析分析,并得出了稳态响应和幅频特性曲线,并通过改变参数对比分析了幅频特性。通过以上的研究工作,可以得到较系统和完善的水平轴风力机叶片的非线性动力学模型,并对其中一些非线性动力学现象有了一定的了解,对分析风力发电机运行特性,制定相应的控制策略有着重要的指导作用。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-14
  1.1 课题研究的背景和意义  8-9
  1.2 国内外相关研究的状况  9-13
    1.2.1 风力机的发展现状  9-11
    1.2.2 风力发电机叶片动力学的研究现状  11-13
  1.3 本课题主要研究内容  13-14
第2章叶片空气动力分析  14-28
  2.1 风力发电机的能量转换过程  14-16
    2.1.1 风能的计算  14-15
    2.1.2 自由风场中的叶片  15-16
  2.2 叶片的几何参数和空气动力特性  16-21
    2.2.1 翼形的几何参数和气流角  17-18
    2.2.2 静止叶片上的气动力  18-20
    2.2.3 升力和阻力系数的变化曲线  20-21
  2.3 风轮的气动力学  21-23
  2.4 涡流对风轮的影响  23-27
    2.4.1 风轮的涡流系统  23
    2.4.2 利用涡流理论修正气动力表达式  23-27
  2.5 本章小结  27-28
第3章建立单个叶片的数学模型  28-38
  3.1 等直旋转悬臂梁的非线性方程  28-31
  3.2 叶片的振动对气动力的影响  31-33
  3.3 动力学方程无量纲化  33-34
  3.4 动力学方程离散化  34-37
  3.5 本章小结  37-38
第4章叶片非线性动力学特性研究  38-52
  4.1 利用多尺度法处理  39-41
  4.2 参数激励主共振  41-44
  4.3 参数激励1/2 亚谐共振  44-47
  4.4 参数激励1/3 亚谐共振  47-50
  4.5 本章小结  50-52
结论  52-54
参考文献  54-58
攻读硕士学位期间参加的科研项目  58-60
致谢  60

兆瓦级水平轴风力发电机叶片的非线性动态特性分析

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