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摘 要

为了提高风力机的发电效率，需要在传统风力机的基础上增加集风体结构，其实质是在风力机叶片周围安装的一种扩散器。为了设计350kW中型集风体风车的新型支撑结构，根据以往不同功率的风洞试验分析，得到不同功率与风况下集风体风力机风载系数，确定和计算本设计条件下的工况；运用理论力学原理，设计和计算各部分结构的尺寸。再利用MSC.MARC有限元分析软件，建立了设计的集风体及其支撑结构、集风体风力机支撑结构的模型，通过有限元分析软件对以上结构进行载荷分析和刚度分析，计算和模拟各部分结构的位移及变形情况，并根据结果对所设计的结构进行改进,最后通过Auto CAD设计初步的支撑结构，包括舱体、支撑部分和集风体等结构。有限元数值模拟分析结果表明：在集风体凹曲面之间采用桁架加强结构来增加集风体刚度，能够降低塔架和集风体支撑结构的应力；集风体风力机支撑结构可以有效的承受集风体带来的巨大的风载荷。

关键词： 发电效率 集风体 风洞试验 桁架 风载荷

Design of new supporting structure for 350kW middle-sized

wind turbine with wind-lens

ABSTRACT

In order to improve the power generation efficiency of wind turbine,it is needed to add a wind-lens structure on the basis of traditional wind turbine. It is essentially a diffuser installed around wind turbine blades. In order to design a new supporting structure of 350 kW middle-sized wind turbine, wind load coefficients of wind turbine with wind-lens under different power and wind conditions are obtained according to wind tunnel test analysis of different power in the past, and the working conditions under this design condition are determined and calculated. Using the principle of theoretical mechanics, design and calculate the size of each part of the structure. Then using MSC.MARC finite element analysis software, the model of the designed wind turbine with wind-lens and its supporting structure and wind turbine with wind-lens wind turbine supporting structure is established. By finite element analysis software, the load analysis and stiffness analysis of the above structure are carried out, the displacement and deformation of each part of the structure are calculated and simulated, and the designed structure is improved according to the results. Finally designing the structures by Auto CAD, including nacelle,supporting part and wind turbine with wind-lens. The results of finite element numerical simulation show that the supporting structure between concave surfaces of wind-lens can improve wind-lens rigidity and reduce stress of tower and wind turbine with wind-lens supporting structure. The supporting structure of wind turbine with wind-lens can effectively bear the huge wind load brought by wind-lens.

Key Words: Power generation efficiency; Wind-lens; Wind tunnel test; Truss;

Wind load

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1大型化风力发电 1

1.2集风体风力机 1

1.3研究内容 3

1.4经济性分析 3

第二章 集风体 5

2.1传统结构 5

2.2多脚支撑结构 6

2.2.1集风体构造 6

2.2.2集风体支撑结构构造 7

2.2.3地面支撑结构构造 7

第三章 风力机及支撑结构设计 9

3.1 总体参数设计 9

3.1.1额定功率、额定寿命 9

3.1.2切出风速、切入风速、额定风速、最大静止风速 9

3.1.3风轮直径、风轮扫掠面积 9

3.1.4风力机功率曲线 10

3.1.5叶片数 11

3.1.6风轮额定转速 11

3.1.7功率控制方式、制动系统形式 11

3.1.8风力机等级 11

3.2叶片设计 12

3.2.1叶片材料选择 12

3.2.2叶片各剖面叶尖速比 12

3.2.3翼型确定与优化 13

3.2.4叶片弦长计算 14

3.2.5叶根结构形式选择 15

3.2.6 叶片受力分析 15

3.3集风体设计 16

3.3.1集风体材料 16

3.3.2集风体结构 16

3.4舱体设计 17

3.5集风体支撑结构设计 17

3.5.1支撑结构材料 17

3.5.2总支撑结构设计 17

3.5.3集风体支撑结构设计 18

3.6主要部件设计 19

3.6.1发电机 19

3.6.2变流器 19

3.6.3齿轮箱 19

3.6.4 联轴器 19

3.6.5主轴 20

3.6.6偏航系统 21

3.6.7变桨系统 21

第四章 数值分析模型 23

4.1有限要素法 23

4.2边界条件模型 23

4.3材料特性 25

4.4分析结果 27

第五章 结论 31

5.1总体参数 31

5.2整机参数 31

5.3功率、气动特性、载荷 31

参考文献 33

附 录 36

致 谢 37

第一章 绪论

1.1大型化风力发电

作为可再生能源，风能具有较大蕴藏量、可再生、广泛分布、零污染等特点。风力机风轮直径随年份变化如图1.1所示。风能利用的最主要方式是风力发电，风力发电机可以将风能转化为机械能，再转化为电能。带有齿轮箱的传统风机发电的原理是利用自然界的风带动风车叶片旋转，再依靠增速箱将旋转速度升至达到电机的旋转速度，使得发电机发电。

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