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水平轴海流能机组叶片优化设计

作者2019-03-27 10:03未知
本文的研究对象是水平轴海流能发电机组叶片,其捕能的高效性和结构的可靠性是机组正常工作的必要条件。与风电相比,海流能存在着轴向载荷特别大的突出问题,针对这一问题,论文从捕能机构的水动力结构设计与优化角度,对其进行降载和抗载技术研究。研究工作主要从三个方面展开:一是海流能叶片专用翼型的优化,优化得到了适用于海流能发电机组叶片的高强度专用翼型;二是针对海流能叶片水动外形的“高效低载”设计要求,提出了叶片等效S-N曲线模型,在水动外形设计阶段即对叶片疲劳寿命做出快速预测,以预期寿命来量化叶片的载荷大小,实现叶片全工况、全生命周期的降载优化,从而在高效性和可靠性之间找到了平衡点;三是叶片的结构铺层设计,以叶片重量为目标函数,以叶尖挠度、极限载荷、疲劳载荷、加工工艺为约束条件,对叶片的铺层进行优化,减少设计冗余,减轻的叶片重量,改善了叶片应力分布,提高了叶片刚度。全文分为以下六个章节:第一章给出了课题研究背景,特别针对海流能机组的特点和工程实际的需要,拟从叶片结构设计和优化的角度解决海流能机组的轴向载荷问题。其后,对国内外在海流能发电机组的叶片翼型、水动设计、结构设计和降载策略等方面的研究做了综述。最后,给出了课题的主要研究内容。第二章介绍了海流能发电机组叶片技术的基础理论和研究方法。第一部分从轴向动量理论、角动量理论、叶素理论、叶尖损失、叶根损失和算法实现等几个方面,详细阐述了叶素动量理论的完整架构和推导过程。第二部分,采用叶素动量理论设计了一台低流速海流能样机,并通过海试验证了该理论应用于海流能叶片设计和性能预测的可行性。第三部分,为了解决叶片结构设计和性能预测算法的收敛性问题,对叶素动量理论进行了扩展,给出了在动量理论条件不满足时,叶轮的载荷描述,在换元法的基础上,给出了具有高鲁棒性的算法,可以实现叶轮载荷的全工况预测。最后,介绍了基于遗传算法的优化工具,包括通用的遗传算法和NSGA-II多目标遗传算法。第三章从工程应用的实际需求出发,提出了对海流能机组叶片翼型结构进行优化的方法,使其在保留原有高效的水动力学性能的前提下,提升翼型的强度,从而更好地抵御极端工况下叶轮上的轴向载荷。优化过程采用多目标遗传算法为主要框架,通过翼型的参数化将翼型表征为16个决策变量,以翼型的最大升阻比和主惯性矩作为两个目标函数,分别表征翼型的水动力学性能和结构强度。翼型的优化针对两个现有的翼型NACA63421和NACA63430展开,最终得到两种新的翼型。新翼型的最大升阻比与原有翼型相同,但主惯性矩的提升在30%以上。第四章首先以最大能量捕获为设计目标,设计了 120kW海流能发电机组叶片,并对该叶片进行了理论分析及海试研究。在叶片最大能量捕获设计的基础上,提出了海流能叶片“高效低载”的设计方法,创新性地提出了叶片的等效S-N曲线模型,并以此模型为基础,结合叶片的简化载荷谱,实现了对叶片疲劳寿命的快速预测。叶片预计寿命这一参数的引入,实现了对叶片“低载”这一技术指标的量化。其后,以叶片的最大能量捕获效率和预计寿命为目标函数,采用多目标遗传算法,对原设计的海流能叶片进行了优化。最后使用Tidal Bladed工具对优化后的叶片进行了分析,比较了优化后的叶片在“低载”性能上的提升。第五章首先采用通用叶片结构铺层设计方法设计了 120 kW海流能发电机组叶片的铺层方案,并对叶片进行了场内试验和海试,结果表明通用设计方法可以满足海流能极限载荷的要求。其后分析了通用设计方法存在的不足,提出了新的适用于海流能的叶片结构铺层设计方法,解决了通用设计方法中叶片各部分如蒙皮、主梁等的孤立设计问题,也不再依赖于风电行业的经验公式,新的设计方法以叶片重量为目标函数,在传统的叶尖挠度约束和极限载荷约束之外,加入了疲劳载荷约束和加工工艺约束。经过铺层优化后,叶片的重量得以减轻,应力分布得到改善,刚度得到提升。新的结构铺层设计方法与第四章中的“高效低载”水动外形设计相结合,可以显著减轻叶片的重量。第六章对全文做了总结,并对未来的海流能叶片研究工作做出了展望。
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