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风机变桨距液压系统仿真及轮毂、塔筒的ANSYS有限元分析

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摘要

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 风力发电发展概况

1.2.1 风力发电发展现状与前景

1.2.2 风力发电技术发展趋势

1.3 风力发电机组结构简介

1.4 课题的目的和意义

1.5 课题的主要研究内容

第2章 空气动力学理论

2.1 风能的计算

2.2 贝兹理论

2.3 动量叶素理论

2.4 风机叶片气动力的计算方法

第3章 变桨距液压系统及其SimHydraulics仿真分析

3.1 风机特性系数及控制特性

3.2 液压变桨距系统

3.2.1 液压变桨距系统机构

3.2.2 液压变桨距系统原理图

3.2.3 液压系统主要参数

3.3 液压变桨距系统的SimHydraulics仿真分析

3.3.1 SimHydraulics简介

3.3.2 基于SimHydraulics的液压系统建模和仿真

第4章 风机轮毂和塔筒的ANSYS有限元分析

4.1 风机的基本参数

4.2 风机轮毂的ANSYS有限元分析

4.2.1 轮毂的初始参数和三维建模

4.2.2 轮毂所受载荷的分析计算

4.2.3 轮毂在不同风速下的ANSYS静力分析

4.3 风机塔简的ANSYS有限元分析

4.3.1 风力发电机组塔筒

4.3.2 风力发电机组塔筒所受载荷

4.3.3 塔简模型的建立

4.3.4 塔筒模型的约束和接触对建立

4.3.5 塔筒的静力分析

4.3.6 塔筒的模态分析

第5章 基于ANSYS的轮毂和塔筒质量优化

5.1 轮毂的ANSYS拓扑优化

5.1.1 ANSYS的拓扑优化简介

5.1.2 轮毂结构的拓扑优化分析

5.2 轮毂的质量优化

5.2.1 轮毂的变厚度减重

5.2.2 轮毂上钻孔减重

5.3 塔筒ANSYS质量优化

5.3.1 ANSYS结构优化设计介绍

5.3.2 塔筒的优化分析

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

附录

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摘要

风能与石化和核电能源相比,具有开发成本较低,安全,清洁环境,可再生等优点;而且风能是一种取之不尽、用之不竭的清洁、绿色能源。
  随着风力发电机组向大功率及特大功率方向发展,风力发电机组的部件也随之大型化,适合大负载、大惯性的变桨距液压系统就会在风机被广泛地应用。液压变桨距控制系统的动态特性好坏决定了变桨过程的控制效果,对其进行仿真分析至关重要;而轮毂和塔筒又是风力发电机组的重要部件及承重部件,也是整个风力发电机组重量集中的关键部件,如果能在满足强度和刚度条件下,减轻其重量就能有效地降低风力发电机组的成本,为风电企业提高经济效益做出有益的尝试。
  首先,本文综述了国内外风力发电的现状和发展趋势,提出了课题研究的目的和意义;简述了风力发电机组的组成和工作原理,以贝兹理论和动量叶素理论为基础推导出了风力发电机组的理论风能利用系数,明确了风能利用系数与桨距角的关系;同时给出了叶片气动力的计算模型和具体计算方法,为轮毂及塔筒在各种风速下的负载计算做好了理论准备。
  其次,阐述了液压变桨距机构工作原理,对变桨距液压系统工作过程进行了分析说明,最后利用MATLAB-Simulink中SimHydraulics模块对变桨距液压系统进行了仿真分析,得到了变桨距过程的动态分析特性。
  最后,对风力发电机组叶片的气动力载荷进行了分析计算和数据的拟合,得到了轮毂和塔筒在各种风速下的载荷;随后对轮毂塔筒进行建模并在ANSYS中进行了静力学分析,模态分析;最后对轮毂和塔筒在极限载荷下分别进行拓扑优化和结构优化,在轮毂拓扑优化的基础上得到了变厚度和钻孔两种减重的方法,对轮毂实施了质量优化;对塔筒则进行了以重量为目标函数的质量优化,也同样达到了较好的减重目的。

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