風電機組組合式葉片結構設計研究.pdf

1、風力發(fā)電機組葉片是將風能轉換成機械能的核心部件，其設計理論和制造技術是風力發(fā)電機組研發(fā)的關鍵。隨著機組單機容量的不斷增加，葉片越來越長，使得制造和長途運輸?shù)碾y度和成本也不斷增大，制約了風力發(fā)電機組的大型化發(fā)展。為此，采用組合式葉片，分段制造，分段運輸，現(xiàn)場組裝的方案可以有效的解決制造和運輸?shù)碾y題。在國家科技支撐“5.0MW雙饋式變速恒頻近海風電機組整機設計、集成及示范”(2009BAA22B02)項目的資助下，圍繞組合式葉片氣動設計和結

2、構設計的方法、理論及其關鍵技術的研究，主要開展了如下工作:
　　(1)研究了葉片氣動設計的基本理論和方法?；趧恿咳~素理論，建立了葉片的數(shù)學模型，利用改進的自適應遺傳算法優(yōu)化設計了5MW風力發(fā)電機組葉片，計算了葉片展向各截面的弦長和扭角數(shù)據(jù)，并分析了葉片的氣動性能。結果表明，采用自適應遺傳算法能夠得到較理想的氣動參數(shù)。
　　(2)在整個壽命周期中，葉片時刻都受到包括氣動力、重力、慣性力、運行控制產生的附加力等多種力的耦合作用

3、。論文基于風特性的分析，給出了極端風速下的湍流風模型，根據(jù)IEC61400標準，利用GHBladed軟件計算了葉片多種極限運行工況，給出了葉片極限載荷的選取原則，確定了5MW葉片的極限載荷。
　　(3)主梁是葉片的主要承載部件，是葉片結構設計的重點和難點。研究了傳統(tǒng)葉片主梁的結構類型，采用了單梁帽雙腹板的主梁結構形式?；诓牧狭W理論，建立了以重量和慣性矩為設計目標的數(shù)學模型，采用多目標遺傳算法進行了優(yōu)化計算，并通過算例驗證了方法

4、的合理性和可行性。
　　(4)根據(jù)復合材料層合板理論和梁理論，以強度和剛度為約束條件，研究了大型葉片結構鋪層設計的理論方法，并在葉片的蒙皮、梁帽、以及腹板等部位采用了碳纖維/玻璃鋼混合鋪層，利用有限元法對葉片各部位的強度進行了校核計算，結果表明碳纖維/玻璃鋼混合鋪層能明顯提高葉片的強度，并對葉片振動特性和穩(wěn)定性進行了分析。
　　(5)根據(jù)葉片的結構特點載荷分布特征，確定了組合葉片的分段位置。按照可拆卸、易安裝的原則，設計了組

5、合式葉片的梁帽、腹板、蒙皮等各部位連接接頭的結構形式和尺寸。根據(jù)材料力學理論計算了各連接部位螺栓的直徑，確定了連接頭的鋪層方案，并對連接部位的鋪層厚度和對接頭結構進行了有限元分析，校驗了各部件的強度，結果表明，滿足設計強度求，鋪層設計方法可行。
　　(6)通過組合葉片和整體葉片的對比分析，總結葉片分段位置處復合材料多釘連接的承載分配規(guī)律，葉片梁帽、腹板、蒙皮等關鍵部位的應力、應變、位移、振動特性、穩(wěn)定性等變化規(guī)律，分析了極限載荷在