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第1章 绪论1

1.1 引言1

1.2 风力机国内外发展现状3

1.2.1 风力机翼型研究3

1.2.2 风力机的空气动力特性研究5

1.2.3 风电机组动力学研究8

1.3 本书的主要内容9

参考文献10

第2章 风力机叶片设计基本理论及主要参数14

2.1 动量理论14

2.1.1 Betz理论14

2.1.2 旋转尾流动量理论16

2.2 叶素理论18

2.3 动量叶素理论20

2.4 涡流理论22

2.4.1 风轮的涡流系统22

2.4.2 诱导速度的确定22

2.4.3 轴向推力和转矩的表达式23

2.4.4 风轮环形部位可得到的风能功率及理想风轮风能利用系数的最大值24

2.4.5 最佳倾角和参数C？Bc/r的最佳值26

2.4.6 存在阻力的非理想风轮环状区达到的风能利用系数、最佳攻角26

2.5 风力机叶片的主要参数26

2.5.1 翼型几何参数27

2.5.2 翼型空气动力学系数28

本章小结31

参考文献31

第3章 风力机翼型几何参数取值范围的优化32

3.1 翼型设计软件的选择32

3.2 翼型气动特性分析软件的选择33

3.3 翼型几何参数对气动特性的影响及取值范围34

3.3.1 翼型相对厚度的影响35

3.3.2 翼型最大厚度的弦长位置的影响38

3.3.3 翼型相对弯度的影响41

3.3.4 翼型最大弯度的相对位置的影响44

3.3.5 翼型的前缘半径的影响47

本章小结50

参考文献50

第4章 风力机翼型多参数组合优化设计51

4.1 多参数组合优化设计的基本思路51

4.1.1 最优参数组合的准则51

4.1.2 最优参数组合设计53

4.2 多参数组合优化设计结果58

本章小结61

参考文献61

第5章 风力机翼型正交试验优化设计62

5.1 正交试验优化设计的基本思路62

5.2 翼型正交试验设计62

5.2.1 试验指标的构成63

5.2.2 确定试验的因素和水平63

5.2.3 正交表的选择64

5.2.4 正交试验的极差分析方法64

5.2.5 正交试验设计及数据分析65

5.3 风力机翼型的设计结果68

本章小结78

参考文献79

第6章 3MW风力机叶片常规设计和三维建模80

6.1 叶片的气动外形设计80

6.1.1 设计风速80

6.1.2 风轮直径D81

6.1.3 叶尖速比λ081

6.1.4 叶片数B82

6.1.5 翼型分布82

6.1.6 弦长和扭角的计算84

6.1.7 弦长和扭角的修正87

6.1.8 确定气动中心88

6.2 叶片的三维建模89

6.2.1 求解叶片各截面空间实际坐标89

6.2.2 建立实体模型90

本章小结91

参考文献91

第7章 基于遗传算法风力机叶片的优化设计92

7.1 遗传算法概述92

7.1.1 应用遗传算法设计风力机叶片的优势92

7.1.2 多目标遗传算法基本定义93

7.2 以年发电量最高为目标的叶片遗传算法优化设计94

7.2.1 适应度函数94

7.2.2 边界条件95

7.2.3 优化设计程序及计算结果95

7.3 以风能利用率最高为目标的叶片遗传算法优化设计100

7.3.1 适应度函数101

7.3.2 边界条件101

7.3.3 优化设计程序及计算结果101

7.4 多目标遗传算法优化104

7.4.1 多目标遗传算法104

7.4.2 优化结果105

本章小结106

参考文献107

第8章 风力机叶片气动特性分析108

8.1 风力机叶片的三维建模108

8.2 风力机叶片气动特性仿真分析109

8.2.1 某3MW风力机参数介绍109

8.2.2 叶片流场计算域规划109

8.2.3 网格划分110

8.2.4 边界条件选取111

8.2.5 翼型优化前五种工况叶片表面气动流场分析111

8.2.6 叶片截面气动流场分析112

8.2.7 叶片压力云图116

8.2.8 叶片截面翼型压力云图116

8.3 风力机叶片气动力学特性分析117

8.3.1 风力机整机模型建立117

8.3.2 气动力学特性分析118

8.4 优化DJU-WA翼型叶片气动特性分析121

8.4.1 DJU-WA翼型叶片表面气动流场分析122

8.4.2 DJU-WA翼型叶片截面气动流场分析122

8.4.3 DJU-WA翼型风力机输出功率125

本章小结126

参考文献127

第9章 材质对风力机叶片力学性能的影响128

9.1 风力机叶片结构及材料128

9.1.1 叶片结构128

9.1.2 叶片材料129

9.2 铺层对叶片力学性能的影响130

9.2.1 叶片几何模型建立130

9.2.2 叶片铺层设计131

9.2.3 叶片有限元模型建立135

9.2.4 风力机叶片有限元分析136

9.3 复合材料对叶片力学性能的影响139

本章小结142

参考文献142

第10章 叶片多体动力学模型的建立143

10.1 多体系统动力学建模研究143

10.2 建立风力机叶片动力学模型145

10.2.1 建立风力机叶片模型145

10.2.2 风力机叶片的简化与假设145

10.2.3 建立风力机叶片数学模型146

10.2.4 建立y轴方向振动数学模型146

10.2.5 建立z轴方向振动数学模型148

10.2.6 建立x轴方向振动数学模型151

10.2.7 建立绕x轴扭转振动数学模型152

10.3 确定单元的弹簧系数154

10.4 计算固有频率及振型156

本章小结157

参考文献157

第11章 风力机叶片动力学仿真分析158

11.1 振动对风力机叶片的影响158

11.2 叶片的载荷类型159

11.2.1 空气动力载荷159

11.2.2 重力载荷160

11.2.3 惯性力载荷160

11.3 ADAMS与Pro/E联合仿真161

11.3.1 ADAMS软件简介161

11.3.2 ADAMS/Vibration振动模块161

11.3.3 ADAMS和Pro/E联合仿真简介162

11.4 风力机叶片几何模型建立162

11.4.1 Pro/E软件介绍162

11.4.2 风力机叶片实体建模162

11.5 叶片振动仿真计算163

11.5.1 模型导入ADAMS163

11.5.2 ADAMS工作环境设置164

11.5.3 添加约束165

11.5.4 添加载荷166

11.5.5 振动仿真166

11.5.6 易变形位置研究167

本章小结169

参考文献169

第12章 风力机风轮模态分析170

12.1 风轮模型建立170

12.2 风轮模态分析171

12.3 GH Bladed建模研究173

12.3.1 风力机叶片建模173

12.3.2 建立风轮模型174

12.3.3 风场加载174

12.3.4 模态分析175

12.3.5 ADAMS与GH Bladed仿真结果对比178

本章小结178

参考文献178

第13章 风力机刚柔耦合多体动力学模型的建立179

13.1 SIMPACK中建立风力机分段柔性体叶片动力学模型179

13.1.1 气动节点的选择180

13.1.2 翼型失速特性的计算181

13.1.3 叶片的建模和模态分析181

13.2 风力机刚柔耦合模型的建立183

13.2.1 增速器等刚性部件的建模183

13.2.2 整机动力学模型的建立183

本章小结186

参考文献186

第14章 风力机时域仿真分析187

14.1 风力机载荷情况187

14.2 风电场风速统计模型187

14.2.1 威布尔分布187

14.2.2 瑞利分布188

14.3 风力机切入、额定及切出风场的计算及模拟188

14.3.1 三种工况的选择188

14.3.2 风场的模拟188

14.3.3 载荷的加载189

14.4 GH Bladed风力机建模和风力机模型的验证190

14.4.1 GH Bladed中建模191

14.4.2 验证模型的正确性192

14.5 载荷对风力机动力学特性的影响193

本章小结197

参考文献198

第15章 风力机主传动链动力学分析199

15.1 三种工况下的激励频率199

15.2 整机的模态分析200

15.3 风力机传动链的共振分析200

15.3.1 低频段分析201

15.3.2 中频段分析203

15.3.3 高频段分析205

15.4 潜在危险共振部件角加速度的FFT208

本章小结212

参考文献212