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风力发电机叶片动力学研究与分析

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ｃｅ ｓｎ ｌｄ ｒ ｉ ｇ ｌ ｅ ｒ ａ ｉｇ ｂ ａ ｅ ｗｏ ｋ ｎ ｆ ． ｉ
Ｋｅ ｒ ｓ ｌｄ ｆｔ ｅ ｗ ｎ ｕ ｂ ｎ ｙ ｗｏ ｄ ：ｂ ａ ｅ ｏ ｄ ｔ ｉｅ；ｍｏ ｅ ａ ａｙ ｉ ；ｖ ｂ ａｉ ｎ ｈ ｉ ｒ ｄ ｎ ｓｓ ｉ ｒ ｔ ｌ ｏ
图 １ 叶型弯扭耦合模 型
单 片 转动 位叶 的 惯量： ：ｆ （ Ｙｄｄ － Ｊ ＋ ） ｙ ， ｉ ｆ ｐ ｘ
同理 可求 得单 位 叶片 的势 能为 ：
叶 片主要 振源 之 一 。 因而 对 风力 机 叶片 进行 振 动 稳 定性 分 析 ， 论是 对风 力机 的设计 还是 对风 力机 的运 不 行都 将是 非 常重要 的。
』 ｈ ｑ
Ｌ２ ＝ ０ ｑ
（） １
（） ２
２ 叶片 的运动微分 方程
现采 用 如 图 １ 示 的弹 簧 阻尼 质 量 系统 来 研 究 所
风 机叶 片 的动力学 问题 。
ｙ
由图 １ 以得 到叶型 任意 点 的垂直 位移 为 ： 可
ｈ ＝一ｈ—ｘ Ｏ 所 以单位 叶片 振动 时 的动 能就 为 ：
１
０
： ｉ
～ ｊ０
Ｉ
：
ｍ
走＋ ＿ ２ ，
（） ３
其中：
单 位叶片 质量： Ｊ ｄ ｙ 的 ｍ＝ｆ ｘ ｄ Ｉ ｐ
元分析软件 对风机叶 片模型进行振 动模 态分析 ， 计算 了叶片的固有频率、 阶振 型 图， 各 为避 免叶 片发 生共振 、 提 高叶片使 用寿命提供 了分析 方法。
关键 词 ： 力机 叶 片 ； 态分 析 ； 动 风 模 振
， 文章编号 ：０６—４ １ （ ００ ０ ０ ５ — ２ １０ ４ ４ ２ １ ） ５— ０ １ ０
研 夯 与 分 析
・
机械研究与应用 ・
风 力 发 电 机 叶 片 动 力 学 研 究 与 分 析
郭 龙 ，张 君 ，同新 星
７０ ７ ） ３０ ０ （ 兰州交通 大学， 肃 兰州 甘
摘 要： 根据风机 气动相 关理论 ， 进行叶素空气动力学特 性分析 ， 并给 出叶 片气动 力的计算表 达式 ， 用 Ａ Ｓ Ｓ有限 采 ＮＹ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｏ ｅ ｏ ｙ ａ ｃ ｈ ｒ ｃ ｅｉｔ ｓ ａ ａｙ ｉ ｆａｒ ｉ ｈ ｄ ｂ ｅ ｏ ｅ ａ ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ｏ ｉ ｄ ｔ ｒ ｉ ｅｔ ｅ ｒ ｓ ｈ ｎ ｓｒ ｃ ：Ｓ ｍｅ ａ ｒ ｄ ｎ ｍｉｓ ｃ ａ ａ ｔ ｒ ｉ ｎ ｌ ｓｓｏ ｉ ｏｌ ａ ｅ ｎ ｄ ｎ ｃ ｏ ｄ ｎ ｓ ｍｅ ｗ ｎ ｕ ｂ ｎ ｈ ｏ ｉ ．Ｔ ｅ ｓｃ ｆ ｏ ｅ ｔ ｅ ｅ ｐ ｅ ｓｏ ｓｏ ｅ ｏ ｙ ａ ｉ ｆｒ ｅ ｒ ｉｅ ．Ｍｏ ａ ｎ ｙ ｉ ｗｅｅ ａ ｈｅ ｅ ｙ Ａ ＹＳ ｓ ｆ ｒ ，ａ ｄ ｔ ｅ ｎ ｔ ｒ ｒｑ ｅ － ｈ ｘ ｒｓ ｉ ｎ ｆａ ｒｄ ｎ ｍ ｃ ｏ ｃ ｓｗｅ ｅｇ ｖ ｎ ｄ ｌ ａ ｓｓ ｒ ｃ ｉｖ ｄ ｂ ＮＳ ｏｔ ｅ ｎ ｈ ａｕ ａ ｆｅ ｕ ｎ ａｌ ｗＲ ｌ ｅ ｅ ．ｅ ｃ ｉ ｒ ｔ ｎ ｍｏ ｅ ｒ ｓ ａｃ ｌ ｔｄ ｈ ｅ ｅ ｓ ｄ ａ ｕ ｐｙ ａ ａｙ ｉ ｍｅ ｈ ｒｐ ｅ ｅ ｔ ｇ ｂ ａ ｅ ｒ ｓ ｎ ｎ ｅ ａ ｄ ｉ — ｉ ｓ ａ ｈ ｖ ｂ ａｉ ｄ ｓａ ｅ ａ ｏ ｃ ｕ ａｅ ．Ｔ ｓ ｔ ｙ ｃ ｎ ｓ ｐ ｌ ｎ ｓｓ ｔ ｏ ｆ ｒ ｖ ｎ ｉ ｌ ｄ ｏ ａ ｃ ｎ ｏ ｌ ｌ ｕ ｌ ｄ ｏ ｎ ｅ ｎ
中图分类号 ： ｉｌ３ Ｔ ｌ１
文献标识码 ： Ａ
Ｄｙ ａ ｉ ｎａｙｓｓ ｏ ｎｄ ｔ ｂｉ ｌ ｄｅ ｎ ｍ ｃ ａ ｌ ｉ ｆｗｉ ｕｒ ｎｅ ｂ ａ
Ｇｕ Ｌ ｎ ，Ｚ ａ ｇ Ｊ ｎ，Ｔ ｎ ｉ —ｘｎ ｏ ｏ ｇ ｈ ｎ ｕ ｏｇＸｎ ｉｇ （ａｚｏ ｉ ｔ ｇｕ ｉ ｒｔ， ａｚｏ ， ｓ ７ ０ ７ ，Ｃ ｉ ） Ｌ ｎｈｕＪａ ｏ ｎｖ ｓｙ Ｌ ｎｈｕＣ ｎｕ ３０ ０ ｈｎ ｏｎ ｅｉ ａ ａ
建立 的系 统 中的节 点 的速 度 列 阵 ； ｛ ｝ 研 究 对 象 所 的加 速度 列阵 。 然后 建立广 义 坐标 ：
离心力、 气动力及振动的交变负荷等作用下 ， 都将会 引起 结构 振动 。振 动是 叶 片产 生破坏 的主要 因素 ， 它
加速 了叶片材 料 的疲 劳 ， 减 少 了其 有效 寿 命 ， 至 并 甚 将 导致 叶片 的断裂 。由于长 期工 作在 野外条 件下 ， 特 别是 在各 种不 断变 化 的风速 条件 下工作 ， 流体 激振 是
１ 引 言
风力 发 电机 的核 心部件 是 叶片 ， 是风力 机捕 捉 它 风 能 的关 键 。其 能否 正 常 工作 将 直 接 影 响风 力 发 电 机组 的正 常运 行 。 因为 风 力机 处 在 变 动 的 自然 大 气
其中： Ｇ表示 距 质
。
； 叶片微 幅振 动 时 ； 叶片 质 心 的平 动 位移 为 ｈ 绕 质 ；
其力 学模型 的基 本动 力学 方程 为 ：
心 的角位 移为 ０ 。
环境 中 ， 以其受 力情 况非 常复 杂 ， 各种 风载下 ， 所 在 如
｛ ｝ ｝ Ｃ｝ ｝ ｝ ｝ Ｆ｝ ｛ ＋｛ ｛ ＋｛ ｛ ＝｛ 式 中 ： ｝ 整 个 系 统 的质 量 矩 阵 ； Ｃ｝ 系 统 的合 ｛ 是 ｛ 是 阻尼 矩阵 ；Ｋ｝ 系统 的合 刚 度 矩 阵 ； Ｆ｝ 外 载 荷 ｛ 是 ｛ 是 列 阵 ； 所 建立 的系统 中的节点 的位 移列 阵 ； ｝ ｛ ｝ ｛ 所

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基于风力发电机的动力学分析研究

基于风力发电机的动力学分析研究

基于风力发电机的动力学分析研究基础风力发电机时，发电机的叶轮获得风能，利用风的动能推动风轮的旋转，并带动发电机的运动，即风能转化为机械能，最后通过叶轮的旋转将机械能转化为电能[5]。

风力对叶轮的作用力是整个风力发电机的动力输入，叶轮产生的机械能越多，则风力发电机获得的电能也就越多。

风力发电机是通过风轮在风中获得风的能量，此时经过叶片的风由于将其自身的动能转化为风轮的动能，风的速度会下降。

当风扫过叶片的圆周面积时，经过叶片所在的圆周面，将空气和没有通过风轮的空气分离开来，就可以得到一个气流管。

其气流管的示意图如图1所示。

从图1中可以看出，由于风力发电机叶片的存在，使得叶片上游的空气在接近叶片时，出现衰减，与此同时，由于风速的降低会使得叶片下游的气流管的膨胀，等同于空气的静压上升，最终风力的一部分动能就会转化为发电机叶片的机械能。

上游的气体经过叶片之后，其静压会降，使尾流的气体的压力小于大气压。

因此，整个过程中，叶片的上游和下游远处的空气，静压始终是保持不变，仅仅减小了气体的动能。

通过对风力发电的原理进行阐述之后，其中也会存在一些不足，总结几点如下：（1）随着风力发电机组容量的不断增大，相应的塔架高度也越来越高，这样使得发电机的齿轮箱传动受力情况变得复杂。

尤其是在特殊地形的气流对叶片影响较大，这样使得风力发电机的传动变得极其不稳定，再加上风力的或大或小，都会加速风力发电机的损坏。

（2）在风力发电机刚刚开始运行时，由于发电机的运动存在较大惯性，这种惯性力对叶片产生的作用力刚好相反，这样对于传动系统有很大的冲击，尤其齿轮箱中啮合的齿轮，大大降低了齿轮的使用寿命。

另外，当风力发电机需要停止时，对齿轮箱的零部件承受较大的冲击，直接会损坏齿轮箱的零部件。

（3）在寒冷的地区，比如我国的东北地区，冬季气温基本上处于零下，甚至到达零下40℃。

由于风力发电机的设计所能够承受的温度在-20℃左右，特殊的发电机可以达到-30℃，这些因素主要有变速箱的内部结构决定，由于齿轮箱中齿轮啮合会放润滑油，来提高齿轮的寿命，但是在低温环境下，齿轮箱的润滑油就会变得粘稠，对齿轮的旋转是一种阻碍，增加了发电机的阻力，这样降低了风力发电机的发电效率。

风力机叶片力学分析报告

风力机叶片力学分析报告

设 M 为 F 相对于前缘的力矩，力矩系数 C M 有下式定义：
M=
1 ρ CM Slv 2 （2‐8） 2
式中 l ——翼型的弦长。 因此作用在翼型上的气动力可以表示为升力、 阻力和气动力矩三部分。 对于各个攻角值 都有一特殊点 C ，该点的气动力矩为零，称为压力中心。空气动力在翼型截面上的影响可 由单独作用于该点的升力和阻力来表示。压力中心点与前缘的相对距离与弦长比值大约为 25%一 30%。 有限长度的叶片，必须对结果加以修正。一个叶片的下表面压力比周围空气要大，而上 表面压力则要小。因此在叶尖，空气企图从高压侧向低压侧流动，从下表面流回上表面，结 果在叶尖形成涡流。实际上，由于叶尖的影响，沿整个叶片产生许多小涡旋，这些小涡旋在 叶尖内侧形成两个大涡旋。 这些涡旋引起的后果是使阻力增加，由此产生的阻力称为诱导阻力 Fdi
flapwise方向edgewise方向图62叶片两种受力模式表61风电叶片质量计算结果质量kg重心距叶根m实际值5950121有限元计算值5571119误差64165表62风电叶片一阶固有频率计算结果一阶flapwise方向一阶edgewise方向试验值08146计算值089161误差11251027表63风电叶片的最大挠度flapwise方向edgewise方向试验值536111计算值483102误差9981uss等对一个25m长的复合材料叶片进行有限元分析后发现叶片中的应力分布存在不连续现象采用夹芯结构可以使叶片在增加刚度的同时减轻重量12图62叶片整体应力云图12基于ansys软件对某款1500kw大型水平轴风力机叶片的应力特征进行了分析数据显示风力机叶片在极限挥舞载荷的作用下叶片大梁和叶根的整体应力水平比较高而剪切腹板和翼板上的整体应力水平比较低见图62说明叶片大梁和叶根是叶片的主要承力部件而剪切腹板和翼板主要作用是维持叶片结构的稳定性
风力发电机叶片的动力学分析

风力发电机叶片的动力学分析

风力发电机叶片的动力学分析1.叶片受风力作用的力学模型在风力作用下，叶片受到了来自风力的气动力和离心力的作用。

气动力是指风力对叶片产生的力，主要由气动阻力和升力组成；离心力则是由于叶片运动过程中产生的离心加速度而产生的力。

叶片受到的气动力和离心力可以用以下力学模型表示：F=FL+FA+FC其中，F表示总力；FL表示升力；FA表示阻力；FC表示离心力。

2.叶片动力学方程在叶片运动过程中，通过分析和推导可以得到叶片的动力学方程。

一般来说，叶片的动力学方程可以分为平动和转动两个方向的运动方程。

平动方向的运动方程可以表示为：ma = F - mg其中，m表示叶片的质量；a表示叶片的加速度；g表示重力加速度。

转动方向的运动方程可以表示为：Iα=M其中，I表示叶片的转动惯量；α表示叶片的角加速度；M表示叶片所受的扭矩。

3.叶片运动的特性分析通过对叶片动力学方程的分析，可以得到叶片运动的一些重要特性。

首先，叶片的运动速度和加速度是随风速和叶片位置的变化而变化的。

当风速较大时，叶片的运动速度和加速度较大；当风速较小时，叶片的运动速度和加速度较小。

其次，叶片的运动也与叶片的质量和刚度有关。

叶片质量越大，惯性力就越大，叶片的运动速度和加速度也会随之增大；叶片刚度越大，叶片的弯曲程度就越小，叶片的运动速度和加速度也会随之减小。

另外，叶片的机械结构和几何形状也会影响叶片的运动特性。

例如，增加叶片的长度和宽度可以增加叶片的弯曲刚度，减小叶片的弯曲程度，从而减小叶片的运动速度和加速度。

最后，叶片的动力学特性还与风力发电机系统的特性相互关联。

例如，当风力发电机系统的负荷增加时，风力发电机叶片所受的力和扭矩也会增加，从而改变叶片的运动特性。

综上所述，风力发电机叶片的动力学分析是对叶片在风力作用下的运动规律和力学特性进行研究的过程。

通过对叶片受力和运动方程的分析，可以了解叶片运动的特性和影响因素，从而为风力发电机叶片的设计和优化提供指导。

风力发电机叶片的动力学分析

风力发电机叶片的动力学分析

风力发电机叶片的动力学分析□冯锦飞□顾永强□贾宝华□朱文彬内蒙古科技大学土木工程学院内蒙古包头014010摘要：旋转是叶片的主要工作方式，叶片轴向力与切向力的大小随叶片的旋转而时刻发生变化，导致重力对叶片每个旋转位置有不同程度的影响。

应用A N S Y S 软件建立旋转状态下叶片的有限元模 型，对其进行动力学分析。

分析结果表明：叶片的最大变形量为0.327 mm ，位于叶尖附近，远小于玻璃钢 叶片的最大弯曲变形要求;叶片的最大应力值为1.04 MPa ，远小于玻璃钢的抗拉强度。

通过分析确认，重 力对风力发电机叶片的整体力学性能影响较小。

关键词:风力发电机叶片动力学分析中图分类号:T H 113.2;T M 315 文献标志码：B文章编号：1000-4998(2019)12-0056-04Abstract ： Rotation is the main working mode of the blade. The axial force and tangential force of the blade are changing with the rotation of the blade, which causes the gravity to have different degrees of influence on each rotating position of the blade. The finite element model of the blade in the rotating state was established by ANSYS software, and the kinetic analysis was carried out. The analysis results show that the maximum deformation of the blade is 0.327 mm, which is located near the tip of the blade, which is much smaller than the maximum bending deformation requirement of the FRP blade. The maximum stress value of the blade is 1.04 MPa, which is much smaller than the tensile strength of FRP. It is confirmed by analysis that gravity has little effect on the overall mechanical properties of the blade of wind turbine.Key W ords ： Wind Turbine Blade Kinetics Analyses1研究背景能源危机席卷全球，环境保护迫在眉睫，新型清洁 能源的发展势在必行。