风力发电机三维建模与分析

ＳＣａｌｅ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ｌａｓｔ ｆｅＷ ｙｅａｒＳ，ｂｕｔ Ｃｈｉｎａ ｇｅｔｓ ｂｅｈｉｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ ｃｏｎｃｅｒｎｉｎｇ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｗｉｎｄ ＩＸ）ｗｅＬ ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ． Ｔｈｅ ｂｌａｄｅｓ．Ｉｈｅ ｋｅＹ ｐａｒｔ ｏｆｔｈｅ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ，ａｌｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ．
新疆大学 硕士学位论文 风力发电机三维建模与分析 姓名：邱兴克 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及其自动化 指导教师：孙文磊
20060601
ｙ ９００８９５
摘
要
随着世界各国经济发展，能源
为一种清洁无污染的可再
生能源。在人类目前所使用的各种
同时由于风能的开发过程
不破坏环境，无污染，几乎取之不
地区投入到风力发电的研
Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｗｏｒｋ ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ．Ｓｏｍｅ
ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ ｐｏｉｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｓｉｇｎ ｗｏｒｋ，ｗｈｉｃｈ ｌａｙ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．ＴｈｉＳ ａｒｔｉｃｌｅ ｃａｎ ａｌｓｏ ｇｕｉｄｅ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．
世界经济的快速发展和激烈的竞争，新能源发电尤其是风力发电技术日趋受到世界各 国的普遍重视。目前全世界风电装机容量达到４９０万千瓦，而且还在以年均６０％的速度增 长，反映了当今国际电力发展的一个新动向。我国有丰富的风能资源，又有国外成熟的技 术可以借鉴，大规模源自文库发风电的条件已经具备，应该积极发展。
能源供应和环境保护是经济持续发展的基本条件，从能源角度说，二＋一世纪我们的 能源靠什么？有许多专家和机构分析，如果不重视可再生能源的开发，下～个世纪由于能 源资源的匮乏将导致全球的能源危机。从环保角度说，能源消耗的增长带来的环境问题日 益严重．今年联合国环境署报告“在过去２０年，全世界能源消耗增长了５０％，从现在到 ２０２０年，全球能源消耗还将比现在增长５０％到１００％，由此造成温室效应气体排放将会增 加４５％到９０％，从而带来灾难性后果”，我国同样面临着资源、能源和环境的压力。我国 风能资源丰富具有大规模发展风电的可能性。发展风电是实施能源可持续发展战略的重要 措施。
关键词：叶片：ＣＦＤ；流场；三维建模； 受力分析
Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｔｈｒｅｅ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｅｃｏｎｏｍｙ ａｌｌ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ．ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｓｈｏｒｔ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ ｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇ，Ｔｈｅ ｗｈａｄ ｅｒｉｅｒｇｙ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｃｌｅａｎ ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ｅｎｅｒ２ｖ＇ｆｒｅｅ ｆｒｏｍ
ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｔｏ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｅｎｅｒｇｙ ｉｓ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｂｉｇｅｒ ｉｎ ｕｓｅ
ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｎｌｅ ｔｉｍｅ ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ血ｅ ｗｉｎｄ ｅｎｅｒｇｙ，ｓｕｃｈ ａｓ ｆｒｅｅ ｆｒｏｍ
其次，风力发电的成本情况如何呢？在国际上单位千瓦造价一般为１０００美元，发电 成本可做到６—７美分。我国风电扬的单位造价约为１万元左右，其中风力发电机组占投 资７５％以上，主要靠进口，今后如果解决了设备制造国产化问题，国家将要安装风电机 ８６８０千瓦，年发电量２６００万千瓦时，上网电价０．７０元左右，对广东来说这个电价完全 可以承受，国内大中型水电站的单位千瓦造价７０００—８０００元，火电站如果加上脱硫脱氮 等环保设施的话，千瓦造价也要超过７０００元。应该说风电具各了和其他电源比较的能力， 它的造价和电价是可以接受的。
二是利用ＵＮＩＧＲＡＰＨＩＣＳ ＮＸ ３软件建立风力发电机的三维模型。重点对叶片进行 受力模拟运算，分别计算典型工况下的位移、受力、应力、应变和反作用力的分布规律， 结合风机工作中的实际情况，对结果进行了分析。发现当前叶片设计中存在的不足之处， 为后续设计和优化奠定基础。在风力发电实际应用中起一定的指导作用。
ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ，ｎｅａｒｌｙ ｅｘｈａｕｓｔｌｅｓｓ，ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｎａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｒｅｇｉｏｎｓ ｔｈｒｏｗ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｔｈｅ
ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ．Ｔｈｅ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｄｅｖｅｌｏｐｓ ｔｏ ａ ｃｅｒｔａｉｎ
究和风电产业建设中来，近几年我
规模，但是我国关于风力
发电技术的研究落后于世界各国， 尤其是风力发电机的关键技术。
本文对风力发电机的关键部件叶片进行了研究。 一是从叶片周围绕流的物理模型抽象出相应的数学模型，采用有限体积法对叶片的外 部流场进行处理，应用通用流体软件Ｆｌｕｅｎｔ对叶片流场进行数值模拟计算。获得了叶片外 流场的速度、压力分布，扑捉到一些重要的流动现象。验证风力发电机在切入风速、额定 风速和极限风速工况下的运行情况，验证了叶片由于攻角过大时产生的失速现象等。并对 数值模拟结果进行了深入地分析研究，为叶片的设计提供了有价值的信息。并为今后的进 一步研究提供了可靠的依据。
我国改革开放以来，电力发展一直保持着高速增长的势头，装机容量和发电量分别位 居世界第三和第二，有力地支持了国民经济发展和人民生活水平的提高。在电力发展过程 中，以燃煤发电为主的电力生产结构导致有害物质的排放也在逐年增加，如不采取有效措 施，将成为电力持续发展的制约因素。为逐步改变这种状况，一方面在发展煤电时，必须 与环境保护相结合，采用洁净煤燃烧技术和有效的污染控制措施，另一方面要加强电源结 构的调整，除大力发展水电外，还应该积极发展风能等新能源发电，努力实现能源资源的 合理开发利用和优化配置。
让人们了解和认识风电是推进风电发展的重要工作。发展风电，首先要解决认识问题。 认识包括两方面内容。
一个是对其重要意义的认识，应当认识到发展新能源是经济发展和环境保护的需要， 也是电力需要，电力的发展不能以浪费资源和牺牲环境为代价。当前风电等新能源发电刚 刚起步，和其他发电手段相比，装机容量和发电量都很小，但它是未来能源，发展潜力巨 大，这就要求我们处理好近期利益和长远利益的关系，局部利益和全局利益的关系。
Ｆｉｒｓｔ ｏｆ ａ１１－ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ａｂｓｔｒａｃｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｆｌｏｗ ａｒｏｕｎｄ血ｅ ｓｕｉｉｏｕｎｃｌｉｎｇｓ ｏｆ ｂｌａｄｅｓ．Ｔｈｅｌｌ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ａｒｏｕｎｄ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎＲｓ ｏｆ ｂｌａｄｅｓ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ＵＳｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｉｎｉｔｅ Ｖｏｌｕｍｅ Ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｎ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｆｌｕｉｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｆ１ｕｅｎｔ．Ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｐｒｏｆｉｌｅ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｉｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｒｅ ａｃｑｕｋｅｄ，ａｎｄ ｓｏｍｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｌｕｘｉｏｎ ｐｈｅｎｏｍｃｎｏｎ ｉＳ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｓｏｍｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ． ｓｕｃｈ ａｓ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｏｍｅ ｗｏｒｋ ｃｏｎｄｉｔｉｎｎｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｓ ｏｆ ｃｕｔ－ｉｎ Ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ、ｒａｔｅｄ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｅｘｔｒｅｍｅ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ．Ｖｂｒｉｆｙ ｔｈｅ ｓｔａｌｌ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂｌａｄｅ ｐｒｏｄｕｃｅｓ ｗｈｅｎ ｂｅｉｎｇ ｔｏｏ ｂｉｇ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ａｎｇｌｅ ｏｆ ａｔｔａｃｋ．ａｒｅ ｖｅｒｉｆｉｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｏｒｏｕｇｈｌｙ．Ｓｏｍｅ Ｗｏｒｔｈｙ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｕ ｏｆ ｂｌａｄｅ．Ｓｏｍｅ ｒｅｆｅｆｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉＳ ｏｆｆｅｒｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ．
其中可利用的风能为２×ｌＯｌＯｋＷ。随着社会的发展风能日益受到全世界的重视，许多国
家把发展风力发电作为改善能源结构、减少环境污染和保护生态环境的一种措施，并纳入 国家发展规划。因此，开发和利用风能资源，不仅可以为２１世纪寻找新的替代能源，而 且有利于环境保护。当前中国常规能源不足，特别是在广大农、牧区和边远地区能源形势 尤为紧张，风能作为一种辅助能源可缓解这一局面。中国陆地地面１０米高度层风能的理 论可开发量为３２亿ｋＷ，实际可开发量为２．５３亿ｋＷ。其中东部沿海为经济发达地区，电 能消耗巨大，而在这些地区．风能极为丰富。风能作为一种清洁的可再生能源得到了特别 的重视。
Ｓｅｃｏｎｄｌｙ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ＵＳｉｎｇ
ＵＮＩＧＲＡＰＨＩＣＳ ＮＸ ３．Ｒｅｃｅｉｖｅ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｔｏ ｔｈｅ ｂｌａｄｅ ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ， ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｙｐｉｃａｌ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｍｏｄｅ ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ，ｓｔｒｅｎｇｔｈ．ｓｔｒｅｓｓ．ｍｅｅｔＳ ａｎ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ａｎｄ ｒｅａｃｔｉｎｇ ｆｏｒｃｅ，ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｓ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ．Ｆｉｎｄ ｏｕｔ ｔｈｅ ｌａｗ ｏｆ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｎｇ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｌａｄｅ；ＣＦＤ；ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ；ｔｈｅ ３Ｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ；ａｎａｌｙｚｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ
第一章 绪论
１．１引言
风能作为一种具有竞争力的可再生能源，经过几十年的研究与应用示范向实用化的转 变，得到了规模化的应用。据世界气象组织（ＷＭＯ）分析，全球总风能为３×１０１７ｋＷ，
再一个认识问题来自技术和经济方面，比如认为“风电形不成规模”，“风电成本太高”， “风电电量不稳定”等，由于风电是一种新的发电方式，许多人还不了解，提出这些问题是 很自然的，需要有针对性地答复这些问题，让更多的人了解风电，认识风电。
第一．风电是能够形成规模的。现在风电单机容量一般为几百千瓦，这和火电、水电 的大容量机组不同，风电是以几十台、几百台，甚至几千台同时运转来实现风能大规模转 换为电能的。美国加州风电场一共安装２４００台，满山遍野都是风电机，最新资料统计， 全世界风电装机容量己达４９０万千瓦，其中美国１８７万千瓦，德国１０３万千瓦，丹麦６１ 万千瓦，特别应该指出的是印度通过这两年的努力，风电己达６０万千瓦。
从风力发电的技术状况以及实际运行情况表明，它是一种安全可靠的发电方式，随着 大型机组的技术成熟和产品商品化的进程，风力发电成本降低，已经具备了和其他发电手
第一章 绪论
段相竞争的能力。风力发电不消耗资源、不污染环境，具有广阔的发展前景，和其他发电 方式相比，它的建设周期一般很短，一台风机的运输安装时间不超过三个月，万千瓦级风 电场建设期不到一年，而且安装一台可投产一台；装机规模灵活，可根据资金多少来确定， 为筹集资金带来便利；运行简单，可完全做到无人值守；实际占地少，机组与监控、变电 等建筑仅占风电场约１％的土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用；对土地要求低，在山 丘、海边、河堤、荒漠等地形条件下均可建设，此外，在发电方式上还有多样化的特点， 既可联网运行，也可和柴油发电机等级成互补系统或独立运行，这对于解决边远无电地区 可能性，这些既是风电的特点，也是优势。