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风力发电机组的叶轮设计优化与性能分析1. 引言风力发电作为一种可再生能源的重要形式，被广泛应用于电力供应系统。
叶轮作为风力发电机组中的核心部件，直接影响着发电机组的性能和效率。
本文旨在通过对风力发电机组叶轮的设计优化与性能分析，提出一种能够提高发电效率的叶轮设计方案。
2. 风力发电机组的工作原理风力发电机组利用风能将风动能转化为机械能，然后通过发电机将机械能转化为电能。
叶轮作为风力发电机组中的核心部件，承担着捕捉和利用风能的重要任务。
叶轮优化设计的目标是最大化风能的转化效率，提高发电机组的发电量。
3. 叶轮设计优化3.1 叶片数目和形状设计叶片数目和形状直接影响着风力发电机组的功率转化性能。
一般而言，叶片数目越多，转化效率越高。
然而，叶片数目过多会增加制造成本并增加风力发电机组的重量。
因此，需要综合考虑叶片数目和形状的设计，找到一个平衡点。
3.2 叶片长度和宽度设计叶片长度和宽度的设计也是叶轮设计中的重要因素。
叶片长度越长，捕捉风能的面积越大，风力发电机组的转化效率越高。
然而，过长的叶片会增加风力发电机组的叶轮重量，并对叶轮结构造成一定的负荷。
因此，需要对叶片长度和宽度进行优化设计。
3.3 叶片材料选择叶轮受到来自空气流动的巨大压力和弯曲力的影响，因此在叶片材料的选择上需要考虑其强度、轻量化和耐腐蚀性。
目前常用的叶片材料有玻璃纤维增强塑料（GFRP）和碳纤维增强塑料（CFRP）等。
在叶片材料的选择中，需要综合考虑材料的力学性能和经济性，以实现叶轮结构的优化设计。
4. 叶轮性能分析4.1 基于流体动力学的模拟分析通过建立风力发电机组的叶轮流体动力学模型，可以对叶轮的流场分布和压力分布进行模拟分析，了解叶轮在风力作用下的性能表现。
这可以为叶轮的优化设计提供有力的依据。
4.2 发电机组的发电量模拟叶轮是风力发电机组中能量转化的关键部件，其性能的优化直接影响发电机组的发电效率。
通过基于叶轮性能和风能资源的数据，可以进行发电量的模拟计算，评估叶轮优化设计的效果。
风机轮毂结构的动力学分析风机轮毂是风力发电机组主要的机械部件之一，起着支撑风扇叶片和传递扭矩的作用。
其结构复杂，需要进行动力学分析以保证其正常运转和安全性。
本文将对风机轮毂结构的动力学分析进行探讨。
一、风机轮毂的结构特点风机轮毂是由轮盘、轮臂、连轴器等部件组成的，其扭转刚度、扭转惯量、弯曲刚度等参数对风机的转速和扭矩输出有着重要的影响。
轮毂的材料通常采用高强度钢材或铝合金，其直径可达数十米，厚度也可达数十毫米。
由于轮毂是一个大型的旋转结构，其动态响应特性不仅受其自身构造的限制，还与其他部件的耦合作用、外部载荷的作用等因素有关，因此需要对其进行系统的动力学分析。
二、轮毂的动力学特性（一）轮毂的自然频率和振动模态轮毂的自然频率是指在没有外部作用下，轮毂在某一振型下的固有振动频率。
其大小与轮毂的结构参数紧密相关。
而振动模态是指在某一自然频率下，轮毂的几何形态和振型分布。
通过有限元分析等方法，可以得到轮毂的自然频率和振动模态，从而为后续的动态分析提供基础数据。
（二）轮毂的转动稳定性转动稳定性是指轮毂在旋转过程中受到的横向载荷引起的振动幅值和变形程度的大小。
其直接影响机组的振动和噪声水平，也会对轮毂的疲劳寿命和安全性产生重要的影响。
轮毂的转动稳定性与轮毂的刚度、附加质量、转速、入口气流速度等因素相关。
（三）轮毂扭转刚度和惯量扭转刚度是指轮毂在扭转运动中所受到的抗扭曲力的大小。
其大小与轮毂的材料、截面形状等因素密切相关。
扭矩输出和转速之间的关系直接受到扭转刚度的影响。
扭转惯量是指轮毂在旋转时所具有的惯性阻力。
其大小同样与轮毂的几何形状、质心位置等因素有关。
惯量越大，对轮毂运动的惯性阻力就越大，机组的响应时间也就增加。
三、轮毂的动态响应分析轮毂的动态响应分析是指在轮毂受到外部激励时，对轮毂的振动响应进行分析。
这些激励可能来源于自然气流、机械干扰、人工干预等多种因素。
通过对轮毂的动态响应进行分析，可以评估其在不同工况下的振动水平、疲劳寿命等参数，为优化轮毂结构和操作调整提供依据。
风力发电机组轮毂的抗风能力分析与仿真风力发电机组作为一种可再生能源的重要代表，在近年来得到了广泛的应用和发展。
而轮毂作为风力发电机组的重要组成部分，其抗风能力直接影响了整个风力发电系统的性能和安全运行。
因此，对风力发电机组轮毂的抗风能力进行分析和仿真是非常必要的。
一、轮毂抗风能力分析风力发电机组轮毂作为支撑叶片的主要承载部件，承受着来自风力的巨大力量。
在设计风力发电机组轮毂时，需要考虑多种因素，如风载荷、旋转惯性力、叶片重力等。
其中，风载荷是对轮毂抗风能力的主要考量因素。
当风力作用于风力发电机组轮毂时，会产生一个复杂的力学响应。
轮毂的结构设计和材料选择将直接影响其抗风能力。
通过有限元分析等方法，可以对轮毂在不同工况下的应力、应变等进行计算和分析，从而评估其抗风能力是否满足设计要求。
二、轮毂抗风能力仿真为了更准确地评估风力发电机组轮毂的抗风能力，可以利用仿真软件对轮毂在风载荷下的工作状态进行模拟。
通过建立轮毂的有限元模型，设定相应的加载条件和约束条件，进行静态和动态分析，得到轮毂在各种工况下的受力情况。
利用仿真软件进行抗风能力仿真可以大大节约时间和成本，避免了传统试验方法的繁琐和耗时。
同时，仿真可以较为准确地预测轮毂在各种风速和风向下的受力情况，为设计提供重要参考。
三、结论风力发电机组轮毂的抗风能力分析与仿真是保证风力发电系统安全运行的重要工作。
通过分析轮毂在风载荷下的受力情况，设计合理的结构和材料，可以提高轮毂的抗风能力，延长其使用寿命。
同时，利用仿真软件进行抗风能力仿真可以更准确地评估轮毂的受力情况，为设计提供可靠的依据。
风力发电机组轮毂的抗风能力分析与仿真工作还有待不断改进和完善，以满足风力发电行业发展的需求。
目前，已经有很多风力发电机组相继投入使用，但是由于风力发电机桩基容量日益增大，这在一定程度上导致机组所能够承受负荷情况越来越复杂。
由于轮毂作为风力发电机的一个重要组成部分，在发电机中起到至关重要的作用，轮毂的质量好坏将在一定程度上直接影响机组使用寿命。
因此，开展对于轮毂的静态分析和疲劳计算是十分有必要的。
本文将使用有限元建模理论，对风力发电机相关内容进行分析。
1 风力发电机轮毂的载荷情况计算对于风力发电机中的轮毂进行载荷数据计算，一般采用的是叶素动量法。
叶素动量法能够将动量理论和叶素理论两者进行融合，同时将有关叶尖损失、叶栅效应以及间隙修正等相关的影响因素考虑在内，这种方式能够较为精准地计算出风轮转子的相关性能。
另外，这种方式还能够将风剪、偏航以及风轮结构参数等相关因素考虑在内。
在具体计算过程中，我们通过使用上文提到的叶素动量理论，在计算过程中考虑到相关叶尖和轮毂的损失F ；结合风力机实际的工作结构参数，将B 作为桨叶数量；c 作为截面的弦长，由此可以得出速度诱导因子求解的公式，如式（1）所示。
c z z B C Hαφ=+（1）由此可以计算出在某种运动状况写叶轮等效到轮毂的具体极限载荷数据情况，如表1所示。
表1 轮毂极限等效载荷数据FX/NFY/N FZ/N MY/N·M MZ/N·M -610025300-220009800046600002 风力发电机轮毂的有限强度分析通过使用专业CAD 软件Proe 能够辅助建立轮毂的3D 模型，再通过使用有限元软件能够对轮毂进行网格划分，帮助建立分析模型；最后通过MSC.nastran 计算轮毂静强度结果。
通过相关计算分析，得到做大应力达到69.3MPa ，这就表明轮毂已经具有足够强度，滚局相关应力云图中能够发现轮毂受力一般小于铸铁QT400的许用应力181.8MPa ；秉着这一强度，呈现出的储备也相对较大。
因此，这一种还具备一定优化潜力，能够进一步优化升级。
摘要轮毂是风力发电机中连接主轴和叶片的关键部件,承担抵抗风载、传递转矩的作用，对轮毂进行精确的强度分析尤为重要。
采用联合分析的方法，利用UG软件和ANSYS有限元分析软件对风力发电机轮毂进行了强度计算和受力分析。
通过UG软件作出轮毂的模型图，根据作图的方法和步骤对模型图进行了参数化设计。
并将UG 模型图转化成CATTA格式再导入ANSYS分析软件中进行有限元分析。
分析结果表明：该方法能够比较准确地反映轮毂受力和变形情况，与理论估算相比具有计算精确、轮毂结构布局合理、重量轻、修改方便等优点。
关键词:风力发电机；轮毂；有限元；参数化；网格AbstractHub is a key component linking principal axis with vane in wind turbines , bearing wind load and delivering torsion. Therefore , it is important to analyze accurately strength of the hub. Joint analysis, using UG software, and ANSYS finite element analysis software for wind turbine wheel and the mechanical analysis of the strength calculation. Made through the UG software model of the wheel, according to the method of mapping and the steps carried out on the model of the design parameters. UG model and into a format and then import CATTA analysis software ANSYS finite element analysis carried out. The results show that: the method to more accurately reflect the wheel force and deformation, compared with the theoretical calculation of accurate estimates, a reasonable wheel structure, light weight,convenient modification.The stress distribution of the hub in the SU T21000 wind turbine was calculated using BLADE and AN SYS software. The ultimate loads of the hub were obtained based on IEC standard and an equivalent model was built by multipoint constraint element s and equivalent simplified technology in analysis. The stress of the bolt was also checked. The analysis result s indicate that the hub and bolt s satisfy technical requirements. Experimental results show that the proposed scheme is valid and has the advantages of precisely optimizing structure and light weight compared with theoretical method.Key words : Wind generators; wheel; finite element method; parameter; grid目录引言 (4)第一章风力发电机及轮毂简介 (6)1.1 风力发电机 (6)1.2 轮毂 (8)第二章轮毂的参数化设计 (9)2．1 利用基本特征参数化建模 (9)2．2 利用草图辅助参数化建模 (10)2．3 基于特征定义和UG/OPEN GRIP的参数化建模 (11)2.3.1 UG/OPEN GRIP简介 (11)2.3.2 GRIP程序的开发和执行 (11)2．4 创建几何模型及参数化 (13)第三章有限元分析 (17)3.1 UG模型的导入 (17)3.2 模型的网格划分 (19)3.2.1 有限元网格概述 (19)3.2.2 定义单元属性 (20)3.3 边界条件与载荷 (24)3.3.1 施加载荷力 (24)3.3.2 设置固定端 (25)3.4 结果的分析 (26)结论 (28)参考文献 (29)谢辞 (30)引言“风电是绿色能源，发展风电是实施能源可持续发展战略的重要措施。
风力发电，大有可为”。
随着风力发电技术从20世纪80年代的迅猛发展，其技术成熟度和经济性都有了很大的提高，甚至可以与传统的发电方式相竞争。
同时，风电作为调整能源结构、发展清洁能源的重要措施，已被许多国家列入日程。
国外风力发电以每年30％以上的速度增长。
与此同时，风电的发展也使风能作为一个新兴能源产业日益成熟并实现了商业化。
发展中国的风电技术，是我国技术人员面临的一项重大考验。
在整个风力机组件中，风轮作为水平轴风力发电机的关键部件，直接影响风力机构的功率、寿命、成本。
它的费用约占风力发电机组总造价的20％～30％，而且至少应有20年的设计寿命。
除了空气动力设计外，还应确定叶片数，叶片结构和轮毂的形式。
为获得最佳工作效率，即最经济的发电成本，同时适应各地区不同的平均风速和风功率密度，风轮叶片的几何形状和尺寸往往需要反复的修改、协调和优化。
因此，采用尺寸驱动的参数化设计，能够实现高效建模和模型修改。
Unigraphics,简称UG，是当前世界上最先进和高度集成，面向制造业的CAD/CAE/CAM高端软件，UG广泛应用于航空，航天，汽车，造船，通用机械，家用电器及其他高技术领域。
UG具有世界上最强大，最广泛的零件设计应用模块，为设计制造提供了多功能和灵活性，能满足客户设计任何复杂产品的需要。
同时，UG 更好地适应了现代机械设计的自动化趋势，因此倍受CAD用户的青睐。
使用UG可以实现对零件设计的全过程控制，提高零件设计的效率和水平。
UG /CAD模块是UG 的重要组成部分之一。
UG将基于约束的特征建模技术和传统的几何建模技术相结合，具有极为强大的建模功能。
为了实现高效建模和模型修改，提高部件的设计效率。
本课题对水平轴风力机的风机轮毂进行设计和参数化建模。
在UG现有的建模模块中，开发出专用于风力机轮毂设计的专用建模模块，进一步细化UG的建模功能，从而大大提高部件设计速度，又可以通过风轮的参数化设计了解工程结构参数化建模的基本原理和内容，熟练应用UG NX软件进行参数化设计，并对大型风力机设计有借鉴意义。
ANSYS系列软件是美国ANSYS公司开发的，目前世界上应用最为广泛的大型通用有限元计算机软件之一，它功能强大、兼容性好,具备使用方便、计算速度快等点，目前已经发展成为了可以应用于各种操作系统的、多用途的设计计算分析软件。
ANSYS软件可进行静力学工程分析和模拟的基本方法，可以进行有限元计算、几何模型创建、加载求解与后处理的整个流程，并使用ANSYS进行静力学分析。
第一章风力发电机及轮毂简介风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。
广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。
风力发电利用的是自然能源。
相对柴油发电要好的多。
但是若应急来用的话，还是不如柴油发电机。
风力发电不可视为备用电源，但是却可以长期利用。
风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。
依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。
风力发电有三种运行方式：一是独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电；二是风力发电与其他发电方式（如柴油机发电）相结合，向一个单位或一个村庄或一个海岛供电；三是风力发电并入常规电网运行，向大电网提供电力，常常是一处风电场安装几十台甚至几百台风力发电机，这是风力发电的主要发展方向。
1.1 风力发电机许多世纪以来，风力发电机同水力机械一样，作为动力源替代人力、畜力，对生产力的发展发挥过重要作用。
近代机电动力的广泛应用以及二十世纪50年代中东油田的发现，使风力机的发展缓慢下来。
70年代初期，由于“石油危机”，出现了能源紧张的问题，人们认识到常规矿物能源供应的不稳定性和有限性，于是寻求清洁的可再生能源遂成为现代世界的一个重要课题。
风能作为可再生的、无污染的自然能源又重新引起了人们重视。
机械连接与功率传递水平轴风机桨叶通过齿轮箱及其高速轴与万能弹性联轴节相连,将转矩传递到发电机的传动轴,此联轴节应按具有很好的吸收阻尼和震动的特性，表现为吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。
另一种为直驱型风机桨叶不通过齿轮箱直接与电机相连风机电机类型根据定桨矩失速型风机和变速恒频变桨矩风机的特点,国内目前装机的电机一般分为二类:异步型（1）笼型异步发电机；功率为600/125kW 750kW 800kW 12500kW定子向电网输送不同功率的50Hz交流电;（2）绕线式双馈异步发电机；功率为1500kW定子向电网输送50Hz交流电，转子由变频器控制，向电网间接输送有功或无功功率。
同步型（1）永磁同步发电机；功率为750kW 1200kW 1500kW 由永磁体产生磁场,定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电（2）电励磁同步发电机;由外接到转子上的直流电流产生磁场,定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电根据叶片形式的不同，现有风力发电机分为以下两类：水平轴世界上目前利用最多的形式，功率最大5MW左右。
新型垂直轴21世纪初由中国、日本、欧洲几乎同时发明的一种新型风力发电机，有别于最早的垂直轴风力发电机（达里厄型），效率高于水平轴风力发电机，无噪音和转向机构，维护简单。
已成为欧美市场中小型风力发电机的首选。
