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1、-风力发电机叶片构造设计及其有限元分析摘要为了更好地开展我国的风力发电事业，实现风力发电机的国产化，必须深入开展风力机设计、分析方面的研究。本文根据传统的的叶片设计方法设计了2MW 风力机叶片，并生成三维几何模型，然后利用有限元模拟对叶片进展了振动模态分析，得到各阶振动频率和振型，为防止构造共振提供了依据。关键词：风力机，叶片，有限元模拟，优化THE FE SIMULATION AND OPTIMAL DESIGN OF WINDTURBINE PONENTSABSTRACTIn order to promote the capability of design and manufacturi
2、ng of windturbine in China, more study should be done in the field of wind turbinedesign and analysis. In this paper, a blade for 2MW wind turbine is designedaccording to the traditional design procedure and the 3D geometrical modelis created. Then the modal analysis is done through the FE simulatio
3、n to getthe frequency and mode shape, which provides the theoretic basis to preventresonance. KEY WORDS: wind turbine, blade, FE simulation, optimization第一章绪论1.1 能源问题及可再生能源的现状与开展受世界经济的开展和人口增长的影响，世界一次性能源消费量持续增加，1990年世界国生产总值为26.5 万亿美元(按1995 年不变价格计算)，2000 年到达34.3万亿美元，年均增长2.7%。根据2004 年BP 能源统计，1973 年世界一次
4、能源消费量仅为57.3 亿吨油当量，2003 年已到达97.4 亿吨油当量。过去30 年来，世界能源消费量年均增长率为1.8%左右。如此大增长幅度的消费量使世界能源的利用面临巨大的压力和挑战1。世界上能源的主要形式是以煤、石油为主的化石能源、核能以及可再生的水利能源、太阳能。但是，人类所能够利用的化石资源是有限的，人们对能源的需求也在不断增长，近年来平均以5%的速度递增，造成能源供需矛盾的加剧。如果不尽早调整以化石能源为主体的能源构造，势必会形成对数亿年来地球积累的生物化石遗产更大规模的挖掘、消耗，由此将导致有限的化石能源趋于枯竭，人类生态环境质量下降的恶性循环，不利于经济、能源、环境的协调开
5、展2。中国在过去几十年经济实力有了显著的提高，但是这很大方面是牺牲了大量资源、破坏了生态环境换来的。想要使得中国经济有持续稳定的增长，居民生活质量有大幅提高，必须转变经济增长策略，控制不可再生能源的开采，大力开展新能源，实现社会的和谐开展。风能、太阳能、潮汐能都是重要的新能源，其中产业化最为成熟的首推风能。据估计全球风能储量储量约为2.74109 MW，其中可开发利用量约为2107 MW，比全球可开发利用的水能总量要大10 倍。风力发电在世界各国已经受到高度重视，截至2004 年底，德国、西班牙、美国、丹麦和印度的风电装机总量为38000MW，占世界风电市场份额的79%3。中国陆地风能资源理论
6、总储量约为32.26 亿kW，经济可开发利用量约为2.53亿kW，海上风能实际可开发量约为7.5 亿kW，共计10 亿kW。中国的风能资源主要分布在东南沿海及附近岛屿、三北地区(西北、华北、东北)和青藏高原等4。中国开展风力发电较晚，但是开展速度比拟快。20 世纪90 年代以来，并网风电场装机容量以平均每年30%左右的幅度递增，至2004 年底，中国风电装机容量规模达764.37MW，占电力总装机规模的0.17%，其发电量占总电量的0.08%。与欧美等国相比，中国的风力发电还十分滞后，必须加快开展步伐。中国制定了风电开展远景规划目标，方案到2020 年风力发电装机总量到达30000MW5。1.
7、2 风力发电机的设计与分析现状1.2.1 国外风力发电机技术现状20 世纪，世界各国已经研制出许多小型风力发电机可以供居民生活用电；但是在现今社会，要想实现并网发电，必须要依靠型风力机，其功率为几十、上百千瓦直到兆瓦，尤其是兆瓦级风力机更是大型电厂并网发电所急需的。早在20 世纪70 年代，美国和欧洲就开场研究兆瓦级风力发电机组，如美国MOD-5B 风力发电机组，风轮直径97.54m，在13.4m/s 风速下输出功率3.2MW，由于当时技术的原因，兆瓦级风力发电机未能商品化生产。到了二十世纪80 年代，欧洲又开场投入兆瓦级风力发电机组的开发，丹麦、英国等国的风力发电机组正式投入商业运营。到了二
8、十世纪90 年代，兆瓦级风力发电机组得到了进一步的开展，荷兰、德国、丹麦、瑞典、意大利、英国都先后研制成功14MW 的风力发电机组6。现代风力发电机组经过几十年的研究和开展，就机组技术而言正逐步呈现以下趋势：A. 由定桨距向变桨距机型开展。变桨距风力机组在低风速区的输出功率可以高于定桨距机组，但是其机械装置和控制系统变得更复杂。B. 机组由定速运行向变速运行开展。变速运行的优点在于可以在低风速区以最优尖速比运行而最多地获得风能。C. 有齿轮箱式向直接驱动式开展。无齿轮箱后的机组构造简单，可靠性增加。D. 由单一陆地型机组逐渐开场向海上机组开展。海上风电场的建立大大节省了珍贵的陆地面积，而且风资
9、源状况更好。E. 由百kW 级向MW 级乃至多MW 级开展。为的是提高单位土地面积的发电量。在近二十年的时间，从国外风机容量由55kW 开展到5MW，叶轮直径由15m 加长到125m，可靠性从50提高到98等事实，可以说明风力发电机组的开展趋势是功率较大、重量较轻、造价较低、可靠性较高7。1.2.2 国风力发电机技术现状我国大型风力发电机的研制和使用是从20 世纪90 年代开场的，起步比拟晚。在八五和九五期间，我国将风能应用列入了国家重点科技攻关工程，并组织了多家科研单位进展攻关，取得了一定成绩。在较短时间实现了技术跨越。目前已经研制成功200kW 和600kW 风力发电机组，并投入批量生产。
10、在大型风电机叶片的设计和性能计算能力方面，国已经有较成熟的方法和工具，而且技术力量比拟强。能够完成叶片的气动外形和构造设计、性能计算、载荷计算和气弹稳定性计算等工作。叶片是风电机组中的关键零件。通过国家九五科技攻关，国产(惠腾公司生产)的600kW 定桨距叶片已为国产整机配套制造了30 多片。同时形成了大型叶片的设计、制造工艺、试验、产品售后效劳等方面的能力。在失速型风电机的控制领域，由中科院电工所、*大学、金风科技股份公司等单位开发研制了具有自主知识产权的两种600kW 电控系统(IPC 和PLC)，并分别投入运行两年和一年多，经过了实际运行考验，为今后更大容量风电机电控系统研制创造了良好条
11、件。在风电机的关键零部件中，增速箱、发电机已实现了国产化。并针对大型风电机齿轮箱普遍出现点蚀、微点蚀等现象采取了多种强化措施并收到良好效果。进入十五以后，国家加大了对风能利用的投入力度，将风能作为国家863方案能源技术领域后续能源主题中的一个主攻方向，开展了MW 级风力发电技术的专题研究。预计在五年，将诞生国产的MW 级失速型风电机和变速恒频风电机组8。在我国风电场建立的投资中，机组设备约占70%，实现设备国产化、降低工程造价是风电场大规模开展的需要。但样机的研制及形成产品需要很大的投入，为了跟上世界技术开展水平，用引进国外先进成熟的技术，经过消化、吸收逐步实现国产化的方案，是符合我国国情的。
12、大型风电机的主要部件在国制造，其本钱可比进口机组降低20%-30%。因此，国产化是我国大型风力机开展的必然趋势。我国大型风电机的国产化从250-300 千瓦机组开场，开展到600 千瓦。塔架可以在国制造，发电机和轮毂也已在国试制出来，将上述部件安装在进口风力发电机上考核，如果质量到达原装机的标准就可以替代进口件。目前，塔架、发电机和齿轮箱等部件的制造技术已根本掌握。叶片和控制系统的制造技术亦取得进展，其他部件如齿轮箱、主轴、刹车盘和迎风机构都可以在国试制成功后取代进口件。根据我国的生产水平和技术能力，大型风力机国产化是完全可行的。风力机设计是一门综合技术，涉及到空气动力学9、构造动力学、气象学
13、10、机电工程11、自动控制12、计算机等专业技术。我国对风力设计技术主要进展了风力机空气动力设计和计算方法，风力机构造动力计算和分析方法，风力机玻璃钢叶片设计方法，风力机变速恒频发电机技术，风力机自动控制技术，风力机调限速特性，风力机调向特性，风力机计算机辅助设计和软件包开发等研究工作，取得了较快的进展。尤其是*金风科技公司已经形成了600 千瓦、750 千瓦、1.2 兆瓦系列化产品，技术水平均到达国领先水平，所有机组均获得德国劳埃德认证，机组最高国产化率超过90%，其中1.2 兆瓦机组技术水平到达国际领先水平13。我国在风力发电领域已经取得了很大的进步，但是同国外风机技术14-19开展相比
14、仍然非常落后。我国对于大型MW 级风机仍然处于研究阶段。随着风力发电行业的大幅度开展，很多传统大型企业已经开场介入到风力机制造领域，但技术多为从国外引进。作为拥有如此丰富风能资源的大国，必须拥有对于大型风机的设计、生产与安装维护的核心技术，才可以使得风力发电技术在我国得到最大限度的开展，解决我国的能源问题。因此，大力开展及深入对风力机的研究已经成为当务之急。1.3 数字化技术在风力机设计中的应用现代风力机是一个涉及多学科的复杂系统。设计像这类复杂的系统，需要有完善的分析技术来支持。从初始设计到详细设计，乃至到样机试制阶段的整个设计过程中，应该有详尽程度不同的分析。要完成这样的分析，必须要利用计
15、算机来辅助进展。在风力机叶片设计的实际过程中，利用计算机，把叶片截面外形各点的坐标经过旋转变换形成叶片三维线框模型数据，用三次参数样条曲线拟合叶片翼型曲线，将三维坐标经过投影变换到平面坐标上(称为世界坐标)，再将世界坐标变换到设备坐标上，最后通过绘图函数将变换后的数据用图形显示在屏幕上，从而可以立体显示叶片截面及其构造。目前己经编制出风力机载荷计算软件包STADS 和STADYN，前者主要用于静态计算，后者可以根据计算的加速度值进展变速设计，主要用于动态载荷计算。1984年Powles 和Anderson 开发出了风力机载荷分析软件，它将随机载荷作为一个主要的考虑因素。Ma1colm 和Wri
16、ght 在1994 年使用大型专用动力学软件ADAMS 来对在随机载荷情况下对风力机的响应建模，但是这种方法需要自由度较多，化费时间也很多。Wilsonetal 和Freeman 在1994 年研制了一套能够对风机的疲劳、空气动力学、构造和紊流进展计算的软件FAST,这套软件做了几点简化:软件只适用于叶轮常速运转;紊流只是在每个叶片上的一点处存在，没有考虑整个叶片的紊流。Wright和Butterfield 编制出了能够设技和分析跷跷板式叶轮风力机的软件包。Garrad Hassanand Partners Limited 公司研制出了风力机大型设计软件Bladed for Windows，这套软件可以对风力机设计中的各个局部，包括叶片翼型选择与设计计算、传动链的配置形式、控制方式的选择、载荷的计算、疲劳分析等等进展有效的计算与验证，是目前
