风电除冰叶片温度场预测方法研究及应用

【摘要】：随着国内风电市场的进一步发展,风能资源得到更大力度的开发。在某些风场中,风电叶片可能出现严重的结冰、覆冰情况,这将严重影响风力机发电效率及寿命。所以市场对抗冰冻叶片的需求越来越急迫,开发抗冰冻风机叶片成为了国内风电叶片研究的一个重要方向。目前国内在抗冰冻风电叶片的研发尚处于起步阶段。本文在总结现在国际上主要的抗冰冻叶片技术的基础上。根据国内实际情况、风力机整机厂要求,选取热气抗冰冻技术进行研究,利用有限元软件对风电叶片进行温度场预测,为热气抗冰冻技术提供理论指导。本文的主要研究内容如下:第一,本文首先提出了一种基于ANSYS壳单元的风电叶片温度场预测方法,解决叶片实体模型建模困难、复合材料等效热物性参数难于获得等问题,为风电叶片等复杂复合材料层合板结构的传热分析探索新的方法,为叶片抗冰冻装置的研制提供理论指导。第二,自行研发了一套热气抗冰冻系统,利用该装置搭建了实验平台,对叶片进行加热实验,测取了相关温度数据,供有限元计算加载使用以及结果对比。为叶片温度场有限元计算及计算结果准确度判断提供参考。第三,基于上述方法,本文对某型号风电叶片的温度场进行了分析,并将ANSYS计算的结果与实验测取数据进行对比,以验证计算结果的精确性及方法的可靠性。第四,编制开发了一款风电叶片温度场分析辅助软件,该软件的编写提出了一种叶片除冰温度场分析的方式,大大简化了计算过程和计算成本。第五,对风电叶片的除冰控制方式进行了初步优化研究。新的控制方式不仅可防止叶片结冰,并能有效降低整个系统的能耗。总之,本文对风电叶片温度场预测方法进行了研究,将ANSYS壳单元应用于风电叶片的温度场分析,开成功开发了一款叶片除冰计算辅助软件,可快速有效地预测风电叶片在各工况下的温度场分布,为风电叶片等复杂的复合材料层合板结构的传热分析探索了新的研究方法。在上述方法的基础上,本文还成功研制了一套热气抗冰冻系统,并对除冰控制方式的优化方法进行了一些初步研究,得到一些比较有意义的结果,为叶片抗冰冻装置的进一步优化设计提供了理论指导与实践经验。 【关键词】：风电叶片 抗冰冻 温度场 热分析 壳单元
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 课题来源9
• 1.2 风能资源的利用及发展9-11
• 1.3 风电叶片覆冰机理及预防技术研究进展11-15
• 1.3.1 风电叶片覆冰机理11-12
• 1.3.2 国内外主要的抗冰冻技术研究进展12-15
• 1.4 有限元方法和ANSYS软件简介15-17
• 1.4.1 有限元方法简介15-16
• 1.4.2 ANSYS软件简介16-17
• 1.5 本论文的选题依据和主要研究内容17-19
• 1.5.1 本论文的选题依据17-18
• 1.5.2 本论文主要的研究内容和结构安排18-19
• 第2章 风电叶片温度场预测方法19-36
• 2.1 风电叶片传热分析理论基础19-26
• 2.1.1 风电叶片及覆冰的热传导20-23
• 2.1.2 风电叶片的对流换热23-26
• 2.2 风电叶片的结构特点及温度场分析流程26-29
• 2.2.1 风电叶片结构特点27-28
• 2.2.2 风电叶片温度场计算流程28-29
• 2.3 ANSYS单元特点及选择29-31
• 2.3.1 SHELL 131单元特点30-31
• 2.3.2 SOLID 70单元特点31
• 2.4 复合材料铺层处理方法及验证计算31-35
• 2.4.1 模型及方法选择32-33
• 2.4.2 计算使用材料热物性参数33-34
• 2.4.3 计算及验证结果分析34-35
• 2.5 本章小结35-36
• 第3章 风电叶片热气抗冰冻系统及实验36-44
• 3.1 热气防冰冻系统的组成及工作原理36-38
• 3.1.1 热气抗冰冻系统的组成36-37
• 3.1.2 风电叶片热气抗冰冻系统工作原理37-38
• 3.2 热气抗冰冻系统安装38-39
• 3.3 风电叶片温度场的实验测量39-42
• 3.3.1 实验装置39-40
• 3.3.2 数据测量方法及记录40-42
• 3.4 本章小结42-44
• 第4章 风电叶片温度场的有限元模拟44-55
• 4.1 风电叶片的有限元模型44-49
• 4.1.1 几何模型的确定及网格划分44-47
• 4.1.2 单元类型及材料参数转换47-49
• 4.2 边界条件及载荷处理49-51
• 4.3 计算结果分析51-54
• 4.3.1 计算结果分析51-53
• 4.3.2 计算结果与实验结果对比分析53-54
• 4.4 本章小结54-55
• 第5章 风电叶片温度场预测辅助软件55-63
• 5.1 除冰方法及软件的主要功能55-56
• 5.1.1 风电叶片除冰方法55
• 5.1.2 软件主要功能55-56
• 5.2 软件界面介绍及操作说明56-58
• 5.3 宏文件介绍及软件应用实例58-61
• 5.3.1 宏文件及其功能介绍58-60
• 5.3.2 除冰实例60-61
• 5.4 本章小结61-63
• 第6章 除冰控制方式的优化设计63-68
• 6.1 冰层厚度对除冰效率的影响63-65
• 6.1.1 除冰模型选择及边界条件设置63
• 6.1.2 不同冰层厚度模型的有限元分析63-65
• 6.2 温度载荷优化65-67
• 6.2.1 优化模型及工况的选择66
• 6.2.2 不同温度载荷对除冰效率的影响66-67
• 6.3 本章小结67-68
• 全文总结与展望68-70
• 参考文献70-73
• 致谢73-74
• 攻读硕士期间所发表的论文和参与的科研项目74
• 硕士期间发表的论文与申报的专利74
• 硕士期间参与的科研项目74

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