5MW风力发电机复合材料叶片结构力学特性分析.pdf

第 卷 第 期 33 6 可再生能源 Vol.33 No.6 年 月 2015 6 Renewable Energy Resources Jun. 2015 5 MW 风力发电机复合材料叶片 结构力学特性分析 胡国玉， 孙文磊， 董 平 （新疆大学 机械工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830047 ） 摘 要： 大型风力发电机复合材料叶片的强度、 刚度和抵抗屈曲等结构力学特性对风机的性能及寿命有重要的 影响。文章结合MATLAB 和ANSYS 有限元建模方法，建立了含有铺层信息的复合材料叶片三维有限元模型，对5 MW 风力发电机叶片进行了静态结构力学特性分析；定义了两种极端运行工况，分析和计算了极端工况载荷作用 下的叶尖位移及力学特性，得到了应力最大的关键区域及屈曲特征。 将仿真分析结果与FAST 软件计算结果进行 对比，验证了该方法的有效性，为进一步地分析和铺层厚度优化提供了可行的方法和参考依据。 关键词： 风力发电机； 复合材料叶片； 有限元分析； 屈曲特征 中图分类号： ； 文献标志码： 文章编号： （ ） TK8 TM614 A 1671-5292 2015 06-0871-05 DOI:10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2015.06.011 0 引言 型；分析了施加相应工况载荷作用下的叶片结构 近年来，海上风电场的开发加快了大容量风 力学特性；得到了应力最大的关键区域以及屈曲 电机组的发展， 我国的5 MW 海上风电机组已成 特征；为进一步地分析和铺层厚度优化提供依据。 功投入运行。 在兆瓦级风电机组中，叶片作为捕 1 叶片模型 捉风能的关键部件，在很大程度上决定了机组的 本文研究的风机叶片所属风机模型为美国国 性能和价格。 风机叶片在它目标寿命20 a 中，会 家可再生能源实验室（NREL ）公开发表，用于研究 经受一系列复杂的载荷和极端工况环境，这些载 比较的5 MW 海上风机模型。 该风机属于IEC1A 荷不同程度地影响风机叶片寿命。 目前，叶片结 风类的水平轴风力发电机，其主要特性：额定功率 构设计规范主要建立在 国际标准和德国 ；叶片数 ；叶轮旋转方向为上风向；叶轮直 IEC GL 5 MW 3 标准基础上，要求结构满足静力强度、疲劳强度和 径为 126 m；轮毂直径为 3 m ；轮毂高度为 90 m ； 叶尖挠度要求。 切入风速 3 m/s ；额定风速 11.4 m/s；切出风速 25 目前 商品化的大型风力机叶片大多采用复 ；叶轮切入转速 ；额定转速 ； , m/s 6.9 r/min 12.1 r/min 合材料。 复合材料叶片的广泛应用显现了其在减 额定叶尖速度为 80 m/s ；轴倾角为5 ° ；预锥角为 轻重量、改进结构和提高空气动力性能方面的创 2.5 °。 新优势。 但是，复合材料的多层结构和各向异性 J Jonkman 提供了该风机参考叶片的气动 的特点，使