风电机组组合式叶片结构设计研究

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1、国内图书分类号：TK81国际图书分类号：621．5工学博士学位论文学校代码：10079密级：公开风电机组组合式叶片结构设计研究博士研究生：导师：寸!，IIJ：副导师：申请学位：学科：专业：所在学院：答辩日期：授予学位单位：陈广华田德教授工学博士动力工程及工程热物理流体机械及工程能源动力与机械工程学院2013年6月华北电力大学ClassifiedIndex：TK81U．D．C：621．5DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringResearchonStructureDesignofWindTurbinesCombinedBlade

2、sCandidate：Supervisor：AcademicDegreeAppliedfor：Speciality：School-．DateofDefenee：ChenGuanghuaProf．DeTianDoctorofEngineeringFluidMachineryandEngineeringSchoolofEnergyPowerandMechanicalEengineeringJune，2013Degree--Conferring-·Institution：NorthChinaElectricPowerUniversity华北电力大学博士学位论文原创性声明本人郑重声明

3、：此处所提交的博士学位论文《风电机组组合式叶片结构设计研究》，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读博士学位期问独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者虢际乡彳噍矽／5年∥月讶只华北电力大学博士学位论文使用授权书《风电机组组合式叶片结构设计研究》系本人在华北电力大学攻读博士学位期间在导师指导下完成的博士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关

4、于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，学校可以为存在馆际合作关系的兄弟高校用户提供文献传递服务和交换服务。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于(请在以上相应方框内打“√”)：保密口，在年解密后适用本授权书不保密口作者签名：商，导师签名：固日期：∥／多年／月矽移日日期：2．013年6月型8日够黟乙^＼亏摘要风力发电机组叶片是将风能转换成机械能的核心部件，其设计理论和制造技术是风力发电机组研发的关键。随着机组单机容量的不断增加，叶片越来越长，使得

5、制造和长途运输的难度和成本也不断增大，制约了风力发电机组的大型化发展。为此，采用组合式叶片，分段制造，分段运输，现场组装的方案可以有效的解决制造和运输的难题。在国家科技支撑“5．0MW双馈式变速恒频近海风电机组整机设计、集成及示范”(2009BAA22802)项目的资助下，围绕组合式叶片气动设计和结构设计的方法、理论及其关键技术的研究，主要开展了如下工作：(1)研究了叶片气动设计的基本理论和方法。基于动量叶素理论，建立了叶片的数学模型，利用改进的自适应遗传算法优化设计了5MW风力发电机组叶片，计算了叶片展向各截面的弦长和扭角数据，并分析了叶片的气动性能。结果表明，采用自适应遗

6、传算法能够得到较理想的气动参数。(2)在整个寿命周期中，叶片时刻都受到包括气动力、重力、惯性力、运行控制产生的附加力等多种力的耦合作用。论文基于风特性的分析，给出了极端风速下的湍流风模型，根据IEC61400标准，利用GHBladed软件计算了叶片多种极限运行工况，给出了叶片极限载荷的选取原则，确定了5MW叶片的极限载荷。(3)主梁是叶片的主要承载部件，是叶片结构设计的重点和难点。研究了传统叶片主梁的结构类型，采用了单梁帽双腹板的主梁结构形式。基于材料力学理论，建立了以重量和惯性矩为设计目标的数学模型，采用多目标遗传算法进行了优化计算，并通过算例验证了方法的合理性和可行性。(

7、4)根据复合材料层合板理论和梁理论，以强度和刚度为约束条件，研究了大型叶片结构铺层设计的理论方法，并在叶片的蒙皮、梁帽、以及腹板等部位采用了碳纤维／玻璃钢混合铺层，利用有限元法对叶片各部位的强度进行了校核计算，结果表明碳纤维／玻璃钢混合铺层能明显提高叶片的强度，并对叶片振动特性和稳定性进行了分析。(5)根据叶片的结构特点载荷分布特征，确定了组合叶片的分段位置。按照可拆卸、易安装的原则，设计了组合式叶片的梁帽、腹板、蒙皮等各部位连接接头的结构形式和尺寸。根据材料力学理论计算了各连接部位螺栓的直径，确定了连