风力机叶片集成设计方法的试验验证与研究

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1、风力机叶片集成设计方法的试验验证与研究重庆大学硕士学位论文（专业学位）学生姓名：王二刚指导教师：陈进教授学位类别：工程硕士（机械工程领域）重庆大学机械工程学院二O一五年四月ExperimentalVerificationandResearchofWindTurbineBladeIntegratedDesignMethodAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheProfessionalDegreeByWangErgangSupervisedbyProf.C

2、henJinSpecialty：ME(MechanicalEngineeringField)CollegeofMechanicalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaApril2015重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要能源是影响人类生存质量的重要物质基础。当前人类使用的主要能源是煤炭、石油、天然气等，这些能源的储量有限，是不可再生的，使用这些能源又会引起―大气污染‖等一系列环境问题。近年来，可再生能源发展很快，风能，作为一种可再生的―绿色能源‖已席卷全球，被世界各国予以极大的关注与重视，都把运用风能作为能源短缺的

3、突破口。叶片是风力机中最关键的部件之一，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。然而，我国在风力机专用翼型的开发及叶片的气动外形设计等核心技术大多源于欧美，并没有掌握其核心技术，这严重制约着我国风电装备的自主研发水平。重庆大学的陈进教授经过多年的研究，以风力机翼型及叶片空气动力学理论为基础，开创性的引入保角变换理论，结合泛函分析方法，提出了一系列风力机翼型参数优化设计方法，并设计出了最大相对厚度在12%~40%的翼型系列；在风力机优化设计过程中，基于传统的风力机空气动力学理论以及叶片气动弹性理论，建立了新的风力机轴向诱导因子和周向诱导因子计

4、算模型。本文是这些研究工作的延续，为了验证上述风力机叶片设计方法，本文设计加工了一种额定功率为1kW的叶片，对其进行了功率特性测试，并与国内某单位的1kW风力机进行了对比，具体工作及取得的成果如下：①选用优化后的CQU-A150翼型，确定了叶片的弦长扭角分布，得到了叶片的三维设计模型。介绍了CQU-A150翼型，采用新的风力机轴向诱导因子和周向诱导因子计算模型编制了以最大功率系数为优化目标的MATLAB程序，确定了叶片的弦长扭角分布，结合CQU-A150翼型的二维坐标通过三维坐标转换得到了叶片各截面离散点的三维坐标，将这些坐标导入到SolidWorks软件中，通过一系列

5、的曲面操作，最终得到了叶片的三维设计模型。②在有限元分析软件中，对叶片进行了静力分析。建立了叶片的有限元模型，将叶片简化为空心结构，根据叶片的实际加工情况对叶片进行了铺层，采用壳单元SHELL99对模型进行了网格划分。分析了叶片在运行过程中所受到的载荷，确定了模型的边界条件，并对加载后的结果进行了分析。③完成了叶片的制作。概述了叶片材料的发展，介绍了采用FRP成型技术加工叶片的特点，以及叶片加工过程中用到的材料，详细阐述了叶片的加工制造过程，制作了一组叶片，并实现了和现有轮毂的连接。④对叶片进行了功率特性测试。仔细阅读了GB/T18451.0-2012/IEC61400

6、-12-1标准，参照该标准并结合实际情况确定了测试设备，采用车载测试法对I重庆大学硕士学位论文中文摘要加工好的叶片以及国内某单位设计的1kW风力机叶片进行了功率输出特性测试，参照测试标准采用比恩法对测试数据进行了处理，最终得到了两种风力机的功率特性曲线，从结果可以看出，装有本文设计叶片的风力机在风速为6m/s~9m/s时发电功率明显高于某单位设计的风力机。经过计算，新设计的风力机比国内某单位设计的风力机年发电量提高了5%~6%。实验结果验证了所采用的叶片设计方法的可行性、正确性以及先进性，为上述叶片设计方法提供了实验依据。关键字：叶片设计，有限元分析，叶片加工，功率特性

7、测试II重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACTEnergyisanimportantmaterialbasethatcaninfluencethequalityofhumanlife.Themainenergythathumanusenowarecoal,oil,naturalgasetc.Buttheseenergyreservesarelimited,non-renewable,andtheuseoftheseenergieswillcauseaseriesofenvironmentalproblemssuchasairpoll