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小型风力发电机叶片设计及仿真分析

作　者: 宋芳芳
导　师: 倪益华
学　校: 浙江大学
专　业: 工业工程
关键词: 风力机叶片气动外形设计二次开发仿真
分类号: TM315
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着风电技术在全球范围内的发展,风力发电机的应用越来越广,同时对技术的要求也越来越高。叶片是风力发电机的关键零件之一,其设计的好坏关系到风机的性能、发电效率和使用寿命。本文以嘉兴联宜风能设备有限公司生产的小型水平轴风力发电机叶片为研究对象,按照风机叶片设计的相关理论和方法,在Wilson模型的基础上对叶片气动外形设计进行了研究,并在SolidWorks平台上开发了叶片气动外形优化设计及建模的应用系统。根据输入的设计参数自动生成叶片的三维实体模型,省去了以往设计过程中生成的大量数据的转换和存储,实现了叶片的高效,智能化设计,能够大大缩短设计周期,降低开发成本。利用CFD软件对设计好的叶片模型进行了流场仿真分析,对叶片的气动性能进行了预测和评估,并对设计结果进行验证,同时应用大型有限元分析软件对企业现有产品的结构铺层进行仿真分析,包括静力分析和振动模态分析,从而校核叶片的强度和动态性能,为企业优化设计产品提供了依据,并省去了大量的实验和装置,提高了设计效率,同时提高了企业的竞争力。本论文的研究具有一定的理论和现实意义,为风力发电机叶片的设计制造提供了一个新的体系结构和实现方法,具有重要的工程应用价值。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
ABSTRACT  7-8
目录  8-11
1 绪论  11-22
  1.1 引言  11-14
  1.2 风力发电机叶片关键技术的国内外研究现状  14-19
    1.2.1 风力发电机叶片翼型的研究现状  14-15
    1.2.2 叶片设计及建模技术研究现状  15-16
    1.2.3 叶片气动性能数值模拟研究现状  16-17
    1.2.4 叶片结构设计及仿真技术研究现状  17-19
  1.3 课题来源及研究意义  19-20
  1.4 论文的主要研究内容及章节安排  20
  1.5 本章小结  20-22
2 风力发电机叶片设计基本概念及原理  22-33
  2.1 风力发电机叶片基本概念  22-25
    2.1.1 翼型几何参数  22-23
    2.1.2 翼型的空气动力学特性  23-25
  2.2 风机设计的相关理论  25-30
    2.2.1 贝茨(Betz)理论  25-26
    2.2.2 扩展的叶素——动量理论  26-30
      2.2.2.1 叶素理论  27-28
      2.2.2.2 动量理论  28-29
      2.2.2.3 叶素-动量理论  29-30
    2.2.3 Wilson模型  30
  2.3 叶片气动外形优化设计模型  30-32
  2.4 本章小结  32-33
3 叶片气动外形设计实现方法  33-42
  3.1 叶片气动设计的基本内容  33-34
  3.2 风轮设计参数确定  34-36
    3.2.1 风轮功率P及设计风速V_1  34
    3.2.2 风能利用系数C_p  34
    3.2.3 风轮直径D  34
    3.2.4 尖速比λ_0和叶片数目B  34-35
    3.2.5 确定翼型及其气动特性参数  35-36
  3.3 弦长和扭角的优化设计及修正  36-40
    3.3.1 MATLAB优化计算  36-38
    3.3.2 弦长和扭角修正  38-40
  3.4 空间坐标转换  40-41
  3.5 本章小结  41-42
4 基于SolidWorks二次开发的风机叶片设计及建模  42-59
  4.1 二次开发介绍  42-45
    4.1.1 SolidWorks二次开发工具  42-43
    4.1.2 基于VB进行SolidWorks二次开发的基本方法  43-44
    4.1.3 主要涉及的API对象及函数  44-45
  4.2 创建SolidWorks二次开发插件  45-47
  4.3 叶片设计功能模快的二次开发  47-58
    4.3.1 参数输入及截面划分模块  47-48
    4.3.2 优化计算及空间曲线生成模块  48-58
      4.3.2.1 优化计算  48-55
      4.3.2.2 空间曲线生成  55-58
    4.3.3 叶片三维模型生成模块  58
  4.4 本章小结  58-59
5 叶片仿真分析  59-75
  5.1 CFD气动性能数值模拟  59-67
    5.1.1 风场模型建立  59-60
    5.1.2 网格划分  60-62
    5.1.3 边界条件设置  62-63
    5.1.4 求解选择及参数设置  63
    5.1.5 结果讨论与分析  63-67
      5.1.5.1 流场分析  63-66
      5.1.5.2 气动性能计算  66-67
  5.2 叶片结构铺层的有限元分析  67-74
    5.2.1 有限元模型建立  68-69
    5.2.2 网格划分  69-70
    5.2.3 求解及结果分析  70-74
      5.2.3.1 静力分析  70-72
      5.2.3.2 模态分析  72-74
  5.3 本章小结  74-75
6 总结与展望  75-77
  6.1 全文总结  75-76
  6.2 未来工作展望  76-77
参考文献  77-82
作者简介及在学期间取得的科研成果  82

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