1.5MW风力机叶片载荷计算与分析

兰州交通大学毕业设计（论文）I摘要风能是一种取之不尽、用之不竭、储量丰富的清洁可再生能源。与传统能源相比，风能具有不污染环境，不破坏生态，分布广泛，就地可取，周而复始，可以再生的诸多优点。风力机在风能利用中占有最主要的地位，叶片则是风力机中核心的部件，也是受力最为复杂的部件。载荷研究是其设计中最为关键的基础性工作，也为所有后续风力机设计、分析工作提供依据。本文以NACA4412翼型的叶片为研究对象，对其静态载荷进行了研究。主要研究内容如下：（1) 综合国内外各种文献，对风力发电的优越性和发展状况进行了简单的介绍。（2）在风力机空气动力理论的基础上，对动量理论，叶素理论还有涡流理论进行了介绍。（3）对风力机的设计工况和载荷工况进行了介绍，并在动量理论，叶素理论还有涡流理论等理论基础上对叶片载荷进行了计算。（4）通过运用 Matlab 软件,对叶片载荷进行了图谱分析，画出了在气动力，重力，离心力作用下的图谱。关键词：风力机；叶片；载荷分析兰州交通大学毕业设计（论文）IIAbstractWind energy is a kind of clean and renewable energy which is unlimited and abundant. Compared to the traditional energies, wind energy contains many advantages, such as no pollution to the environment, no destruction on the zoology, widespread, in situ desirable, moving in cycles and can be recycled. Wind driven generator occupies the main status in the process of wind utilization, and blade is the core and the most complicated element of it, especially when it comes to the force analysis. Study of load is not only the critical section and basic work in the design of wind driven generator, but also provides the basis for all subsequent wind driven generators design and its analysis work. This paper takes NACA4412 airfoil blade as the research object and studies its static load. Main research contents are as follows: (1) Integrated all kinds of documents at home and abroad, this paper simply introduces the advantages and development conditions of wind driven generator. (2) Based on the wind turbine aerodynamic theory, the momentum theory, the blade element theory and vortex theory are introduced.(3) It introduces design conditions and loading conditions of wind driven generator. Meanwhile, on the basis of momentum theory, blade element theory, vortex theory and etc., it calculates the load of blade.(4) By using Matlab software, this paper has an atlas analysis on the load of blade, draws the atlases of aerodynamic force, gravity and centrifugal force which are under their own impact.Key words: wind driven generator; blade; load analysis兰州交通大学毕业设计（论文）III目 录摘要 .IAbstract .II1 绪论 .11.1 风力发电发展现状 .11.1.1 前言 .11.1.2 风力发电装机容量现状 .21.1.3 我国风力发电利用现状 .21.2 水平轴风力机叶片概述 .31.3 论文主要研究内容 .52 水平轴风力机叶片理论 .62.1 风与风能 .62.2 风轮叶片主要参数 .62.3 风力机空气动力学 .72.2.1 动量理论 .72.2.2 叶素理论 .112.2.3 涡流理论 .132.4 风力机叶片的设计方法 .143 水平轴风力机叶片的载荷分析 .173.1 叶片载荷类型与来源 .173.1.1 载荷类型 .173.1.2 载荷来源 .173.2 叶片设计工况与载荷状况 .183.2.1 设计工况 .183.2.2 载荷状况 .183.3 叶片载荷分析基本要求 .203.3.1 载荷分析影响因素 .203.3.2 载荷分析要求 .213.4 风力机叶片载荷计算 .213.4.1 坐标系的确定 .213.4.2 气动力载荷计算 .243.4.3 重力载荷计算 .253.4.4 离心力载荷计算 .253.5 风力机叶片载荷分析 .263.5.1 载荷分析基本参数 .263.5.2 叶片载荷分析 .283.6 本章小结 .37结论 .38致谢 .39主要参考文献 .40兰州交通大学毕业设计（论文）11 绪论1.1 风力发电发展现状1.1.1 前言从古到今，人类为能得到更好的生存条件、物质基础，不停的为促进社会经济的发展而奋斗。在这一过程中,能源都一直是扮演着至关重要的角色。迄今为止，能源问题已经成为世界经济发展中一个具有战略意义的问题。例如上世纪 50 年代至 70 年代，由于中东廉价石油的大量供应，而使整个资本主义世界经济飞速发展。但是 1973 年爆发的中东战争，使中东各国限制了石油的产量，提高了石油的价格，给资本主义世界带去了长时间的经济危机。能源的消耗还关系到环境的污染问题。常规能源的使用而引起的环境污染问题和生态环境的恶化问题已引起了全世界的广泛关注，而新能源核能发电又面临着核废料的处理问题，所以，它们都不利于环境的保护。生存环境的不断恶化，使人类经济、文化、社会活动都遭到了严重的影响。所以，发展无污染新能源迫在眉睫。风力发电和太阳能发电是最有利于环境保护的发电方式，并且风力发电具有其它能源不可取代的优势和竞争力 1。风力发电的优越性可归纳为以下几点：（1）风能一种用之不竭、储量丰富的清洁再生能源；（2）建造风力发电场价格比水电站、火力发电厂以及核电站的建造费用低得多；（3）不需要常规燃料或核电站所需的核材料，即可产生电力,除常规保养外,没有其他任何消耗；（4）风力发电和其他发电方式相比，它的建设周期一般很短，而且安装 1 台投产1 台，装机规模灵活，可根据资金多少来确定，为筹集资金带来便利；（5）风力发电运行简单，可完全做到无人值守；（6）风力发电对地形要求低，在山丘、海边、河堤、荒漠等地均可建设。虽然风力发电优越性突出，但是其缺点也是显而易见的：（1）风力机利用风能效率不高，运转时噪声大；（2）风力机组的造价成本仍然很高；兰州交通大学毕业设计（论文）2（3）在一些地区，风力发电的经济性不足，许多地区的风力有间歇性；（4）风力发电需要大量土地兴建风力发电场，才可以生产比较多的能源；（5）风力发电在干扰鸟类。人类利用风能对环境无污染，对生态无破坏，环保效益和生态效益良好，对于人类社会可持续发展具有重要意义 1。1.1.2 风力发电装机容量现状自上世纪 90 年代以来，风力发电的发展十分迅速，全球风力发电装机呈快速增长趋势，年平均增长近 24，到 2007 年底，全球风力发电新增装机容量 19791MW，总装机容量达到 94005MW，比 2006 年增加了 27%，全球风力发电发电量占总发电量的比例已超过 1%，风力发电在能源市场中占有了一席之地 2。表 1.1 近十年我国风电装机容量增长情况年份 累计装机容量（MW）新增装机容量（ MW）2001 398.8 57.22002 465.1 66.32003 563.4 98.22004 761.2 196.82005 1267.2 506.92006 2554.7 1287.62007 5867.4 3312.72008 12019.6 6152.22009 25804.3 13785.72010 44733.3 18928.1我国风力发电装机更以迅猛的速度发展。从上表数据可以看出，我国风力发电装机容量逐年增长。累计装机容量从 2001 年的 398.8MW 增加到 2010 年的44733.3MW。新增装机容量从 2001 年的 57.2MW 增加到 2010 年的 18928.1MW。2010年，我国风力发电装机容量无论是从累计装机容量还是新增装机容量，均达到了世界第一位的水平，我国已然成为世界上风能大国。1.1.3 我国风力发电利用现状建国以来我国风能的开发利用经历了三个阶段：一是 50 年代末群众性的技术革新，兰州交通大学毕业设计（论文）31955 年首次研制成了小型风力机；二是全国各地相继研制了百瓦级到千瓦级的各类风力机达数十种，用于抽水、发电等；三是为后来风力机的研制提供了有益的经验。进入 21 世纪以后，我国的风能的发展有了很大发展，整体的规模、装机容量正在逐步提高。到 2004 年底，我国已建成 43 个风电场，全国并网风电装机容量达到 76.4万千瓦。到 2005 年底，全国共有 59 个风电场，新增风电装机容量 49.8 万千瓦，累计装机容量达到 126 万千瓦。到 2006 年底，全国已建成 80 个风电厂，新增装机 134.7 万千瓦。到目前为止，全国风电场的数量已经很多了，保守估计不少于 500 个风电场项目。我国风电发展虽然有了快速发展的势头，但是仍要充分发挥好政府的指导、扶持和协调作用，将各环节衔接起来，形成良性互动，实现风能又好又快发展 2。1.2 水平轴风力机叶片概述 叶片是风轮最主要的部分的部分，是风力机原动力输入的主要载体，决定了风轮性能的好坏，也决定了风力机整体性能的好坏和利用价值。1、叶片结构及制造风力机叶片即要求机械性能好，能够承受各种极端载荷，又要求重量轻，制造和维护成本低，因此采用轻型材料和结构，叶片剖面结构为中空结构，有蒙皮和主梁组成，中间有硬质泡沫夹层作为增强材料。叶片主梁结构主要承载叶片的大部分弯曲载荷。叶片蒙皮主要由胶衣表面毡和双向复合材料铺层而成，其功能是提供叶片气动外形，同时承担部分弯曲载荷和剪切载荷。小型风力机叶片常用整块木材加工而成，表面涂层保护漆，根部通过金属接头用螺栓与根部相连。大、中型风力机采用很多纵向木条胶接在一起，其叶片都采用玻璃纤维或高强度复合材料进行制作。2、叶片几何形状及翼型大型风力机组的风轮直径很大，叶片长度很长，在旋转过程中，不同部位的圆周速度相差很大，导致来风的攻角相差很大，因此叶片具有以下特征：（1）平面几何形状一般为梯形，沿展向方向上，各剖面的弦长不断变化；（2）叶片翼型沿展向上不断变化，各剖面的前缘和后缘形状也不相同；（3）叶片的扭角也展向上不断变化，叶尖部位的扭角比根部小。这里的扭角指在叶片尖部桨距角为零的情况下，各剖面的翼弦与风轮旋转平面之间的夹角。叶片剖面的翼型应根据相应的外部条件并结合载荷分析进行选择和设计。风能的兰州交通大学毕业设计（论文）4转换效率与空气流过叶片翼型产生的升力有关，因此叶片翼型性能直接影响风能转换效率传统的风力机叶片翼型多沿用航空翼型，随着风电技术的发展和广泛应用，国外一些科研机构开发了多种风电专用翼型。应用较多有 NACA 翼型、SERI 翼型、NREL 翼型、FFAW 翼型等。图 1-1 叶片翼型的几何参数3、叶片类型根据叶片的数量可分为单叶片、双叶片，三叶片以及多叶片。叶片少的风力机可实现高转速，所以又称为高速风力机，是用于发电；而多叶片具有高转矩、低转速的特点，又称为低速风力机，适用于提水，磨面等。其中三叶片风力机动力学特性较好，惯性力和气动力分布在叶片上较为均匀，应用最多。根据叶片翼型形状可分为变截面叶片和等截面叶片。变截面叶片在叶片全长上各处的截面形状及面积都是不同的，而等截面叶片都是相同的。根据风力机做功的原理，分为阻力叶片和升力叶片。由阻力叶片构成的风力机是阻力型风力机，纯阻力型垂直轴风力机最大风能利用系数 ，与 Betz 理想风02.maxPC轮的 相差甚远。由升力叶片构成的风力机是升力型风力机，此类翼型的593.0maxPC叶片因风对其产生升力而旋转做功。升力型叶片应用较多，因为升力型风力机比阻力型风力机获得的风能利用系数最高。4、叶片载荷风力机在运行过程中承受着多种应力和载荷。风力机载荷源于空气动力、重力、和惯性力，也与风力机运行和运行状态有关（在后续章节重点讨论） 。载荷是设备结构设计的依据，其分析计算在设计过程中非常关键，载荷分析不准确可能导致结构强度设计问题，过于保守则造成风电机组的总体设计成本增加。为此在载荷分析与计算是考虑以下条件：首先，保证部件能够承受极限载荷，必须能够承受可能遇到的最大风速。其次，保证风力机 2030 年使用寿命。但是极限载荷产生的应力相对容易估计，兰州交通大学毕业设计（论文）5疲劳寿命问题相对困难。最后，注意部件刚度，这与其振动和临界变形有很大关系。刚度也是决定部件尺寸的主要参数之一。本论文讨论研究的内容就是三叶片 1.5MW 水平轴风力机叶片载荷分析与计算，并提出了风力机载荷相关的内容 5。1.3 论文主要研究内容风力机组是将风的动能转化为机械能，再由机械能转化为电能的装置。叶片是风力机组的关键部件，其承受载荷的能力是保证风力机组正常稳定运行的必要因素。载荷的分析与计算更是叶片设计分析工作的基础，影响到以后叶片的结构动力特性分析、强度分析以及寿命分析计算，而且研究和分析叶片载荷不但可以解决目前生产屮遇到的问题，提高风电机组设计的创新能力，拉近与世界著名风电机组研发企业间的差距，而且为今后大型风电机组设计的可靠性提供了重要保障。所以，叶片载荷的分析与计算至关重要。叶片载荷的情况多种多样，载荷情况也较为复杂。有动态载荷和静态载荷，在这里只进行静态载荷的分析与计算的研究。主要进行的研究内容如下：（1）了解风力机空气动力学理论（叶素理论、动量理论、叶素动量理论、涡流理论） 。（2）了解风力机叶片的设计方法。（3）了解叶片载荷类型与来源。（4）了解叶片设计工况与载荷工况。（5）进行叶片载荷计算（叶片气动力载荷计算、叶片重力载荷计算、叶片离心力载荷计算） 。（6）根据叶片载荷计算对叶片进行载荷分析，画出载荷图谱。兰州交通大学毕业设计（论文）62 水平轴风力机叶片理论2.1 风与风能风的形成是空气流动的结果，风能是太阳能的一种转化形式，由于太阳的辐射造成了地球表面受热和大气压力都受到影响，在不均匀大气压力作用下，空气的运动就形成了风。地球大气运动主要受气压梯度力和地转偏向力的影响，大气真实运动是这两种力综合影响的结果。风所具有的动能为风能。现在利用风能的主要方式为风能发电，就是利用风力机把风能转化成机械能，再由机械能转化为电能。风能发电关键在于风力机，好的风力机，风能利用系数高，能量转换就高，人们也会得到更大的利益。所以，设计一种好的风力机就是重中之重，而好的风力机其叶片载荷、结构动力特性、强度以及寿命等必须要求合格甚至更好 3,4！本章介绍风轮叶片主要参数和空气动力学基础理论。2.2 风轮叶片主要参数风力机利用风能的能力，跟风轮叶片的性能指标有很大关系。表征风力机