论文部分内容阅读
随着传统能源的不断枯竭以及世界环境污染问题日渐严重,风能作为可再生的清洁能源成为了人类探索新能源的方向。现今,大型、高效的风力机已经成为风电行业发展的主流趋势,风轮直径越大,影响风力机性能稳定的因素也越多。风剪切效应是由于地面摩擦导致来流在竖直方向分布不均,所以使得叶片展向方向的气动力不同,从而导致叶片展向载荷分布不均,对叶片结构产生较大影响。为了研究风剪切效应对大型风力机叶片气动性能和结构性能的影响,本文以美国可再生能源公布的NREL5MW风力机为研究对象,采用数值模拟的方法进行研究,主要内容如下:首先,研究了风剪切效应对风力机叶片气动性能的影响。使用SolidWorks软件对5MW风力机叶片进行了气动外形以及内外流场域的建模。通过加载UDF函数给定剪切来流速度,采用k-ωSST湍流模型对不同来流速度以及不同风剪切指数下的风力机模型进行数值模拟,结果表明:剪切来流条件下风轮的轴向推力和功率都明显低于均匀来流时风轮的轴向推力和功率,随着风剪切指数的增大,风轮的轴向推力和功率会越来越接近均匀流时风轮的轴向推力和功率;叶展方向上不同截面的轴向载荷和周向载荷随方位角呈周期性变化,方位角为0°时达到最大值,方位角为180°时达到最小值,并随着风剪切指数的增大,叶根处载荷出现了明显的滞后现象。其次,研究了风剪切效应对风力机叶片结构性能的影响。使用ANSYS mechanical APDL软件完成叶片有限元模型的建立,对风力机叶片的主梁、腹板、前缘和后缘进行划分,定义叶片的单元类型和材料类型,完成不同构件处不同的铺层定义,并对叶片主梁处层合板的铺层角度、铺层顺利和铺层比例进行了改进,计算结果说明在叶片主梁处加入±45°的铺层且当±45°的铺层的比例为30%到40%的会从强度和模态两个方面改善叶片的结构性能。最后,利用ANSYS中瞬态分析和疲劳分析模块来对风力机叶片进行了疲劳寿命估算,计算结果显示:在剪切流的影响下,叶片不同节点处的位移会随着时间产生周期性变化,叶片后缘处节点的位移变化量最大,前缘处节点的位移变化量最小,叶片主梁处节点位移的变化量在两者之间,因此也伴随着叶片的扭转变形,且随着风剪切指数的增大,叶片使用寿命也会相应减小。国家国际科技合作专项项目“大型风力机风轮关键技术研究及示范”(2014DFR60990)、甘肃省科技重大专项项目(17ZD2 GA006)联合资助本文针对风剪切效应对风力机气动性能和结构性能产生的影响进行了研究。揭示了风剪切效应对大型风力机气动载荷和疲劳寿命的影响律,为后续叶片结构设计提供了参考。