对流型直轴DARRIEUS风机叶片模态分析外文翻译资料

 2022-08-09 20:09:28

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对流型直轴DARRIEUS风机叶片模态分析

摘要

一种拓扑形状的垂直轴DARRIEUS风机叶片的模态分析

由

Amr Fawzy Abdel hakeem Saleh

具有对流型叶片的Darrieus风机是一种重要的垂直轴风机。在设计这些风机时，必须考虑振动所导致的叶片故障。为了避免共振对叶片产生影响，需要先确定叶片的固有频率。本文的研究目的是确定叶片的自由振动振型和模态频率。为了简单起见，忽略上游风速的变化。以薄板理论和假设模态法为基础，采用ANSYS软件对叶片的模态振动进行数值分析。首先，对直径为17m且具有NASA0015翼型的Sandia简化对流型叶片进行分析，利用ANSYS计算其前10阶模态及相应模态频率。随后对固定静止的叶片和转速为54rpm的旋转叶片进行数值分析，得出旋转叶片的结果较之前Sandia型叶片的结果更好。然后将相同的分析应用于理想的对流形状的叶片上，并略微修改了横截面积，结果显示出叶片形状的一致性。

版权属于

AMR FAWZY ABDEL HAKEEM SALEH 2017年

我想把这个作品献给我的母亲和父亲的灵魂，以及我可爱的妻子

致谢

我要感谢我的导师和我的硕士教授Brian Feeny，感谢他对我在技术和精神上的支持，感谢他慷慨地分享他的智慧，帮助我走得更远。如果没有他这种奉献精神，这项研究就无从谈起。

目录

表格列表 viii

数据表 ix

  1. 第一章：绪论与文献综述 1
    1. 背景 1
    2. 风机类型 2
      1. 基于结构设计（转子轴方向）的分类 2
      2. 基于从风中提取能量（升力或阻力）的分类hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.4
    3. 垂直轴风机对流型叶片结构振动分析文献综述 6
    4. 动机 9
    5. 目标 10
    6. 论文提纲 10
  2. 第二章：垂直轴风力机对流型叶片振型和模态频率的有限元计算模型 11
    1. 导言 11
    2. 直径为17m直-圆-直形叶片的三维模型 12
      1. 叶片截面 12
      2. 叶片轮廓 13
    3. 直径为17m的直-圆-直形叶片在恒转速为54rpm下的有限元模型 14
    4. 直径为17m的直-圆-直形叶片在静止下的有限元模型

......................................................................................................................................................................... 23

  1. 第3章：基于梁的对流型叶片模态分析公式 35
    1. 导言 35
    2. 叶片势能 35
      1. 应变方程的推导 39
    3. 动能 48
    4. 模态分析能量表达式的离散化 53
      1. 刚度矩阵表达式的推导 55
      2. 质量矩阵表达式的推导 58
      3. 子午线角（theta;） 60
    5. 直径为17m的Sandia简化型叶片模态频率的数值计算 60
      1. 直径简化的Sandia叶片横截面特性 61
      2. 前十阶模态频率的数值 62
  2. 第四章 65
    1. 结论和意见 65
    2. 贡献 66
    3. 未来的工作 66

附录 66

参考文献 70

表格列表

表2.1直径为17 m的Sandia叶片的前10阶固有频率 16

表2.2 Sandia (MSU)叶片静止时的前10阶模态频率 23

表2.3讨论Sandia叶片和理想的对流型叶片的横截面特性 25

表2.4直径为17 m的理想对流型叶片的前10阶固有频率 28

表2.5通过有限元分析获得的较低模态频率的比较。“Sandia”是指旋转速度为54rpm 下的直-圆-直形叶片模型。 33

表3.1直径为17m的sandia叶片的模态频率(考虑各模态之间的耦合) 62

数据列表

图1.1全球风电累计容量[1] 1

图1.2垂直轴风机示意图[2] 2

图1.3水平风机示意图[2] 3

图1.4 Savonius风机示意图[3] 4

图1.5 Darrieus风机示意图[4] 5

图1.6完全挠性电缆绕垂直轴旋转示意图[7] 6

图1.7 Darrieus垂直轴风机(DOE/Sandia 34-m) 8

图2.1翼型点图13 13

图2.2直径为17m的 NASA 0015sandia叶片.（a）为原sandia.叶片(b)为新的sandia叶片 13

图2.3线直径为17m的sandia叶片型 (所有单位均为m) 14

图2.4 简化了两端夹紧，并允许旋转的Sandia叶片 15

图2.5 直径为17m下的Sandia叶片啮合图形 16

图2.6 sandia叶片在54 rpm (仅平直方向)下的第一阶模态，2.0348 Hz 17

图2.7 sandia叶片在54 rpm (仅沿边向)下的第二阶模态，2.5675 Hz 17

图2.8 sandia叶片在54 rpm (仅平直方向)下的第三阶模态，4 HZ 18

图2.9sandia叶片在54 rpm(边向/扭转)下的第四阶模态，5.936 Hz 18

图2.9sandia叶片在54 rpm(仅平直方向)下的第五阶模态，6.1904Hz 18

图2.11 Sandia 叶片在54 rpm(仅平直方向)下的第六阶模态，8.5349 Hz 19

图2.12 Sandia 叶片在54 rpm(仅平直方向)下的第七阶模态，11.749 Hz 20

图2.13 Sandia叶片在54 rpm(边向/扭转)下的第八阶模态，13.52 Hz 20

图2.14 Sandia blade在54 rpm(仅平直方向)下的第九阶模态，15.335 Hz 21

图2.15 Sandia 叶片在54 rpm (仅平直方向)下的第十阶模态，19.354 Hz 21

图2.16 sandia风机转子单叶片的振型和频率 24

图2.17 17m直径的NASA0015理想对流型叶片截面 24

图2.18 对流型叶片的外形 26

图2.19 17 m直径的对流型叶片，H= 12.238 m 27

图2.20对流型叶片在54rpm (仅平直方向)的第一阶模态，1.87 Hz 28

图2.21对流型叶片在54 rpm (仅沿边向) 的第二模阶态，2.34 Hz 29

图2.22对流型叶片在54rpm (仅平直方向)的第三阶模态，3.68 Hz 29

图2.23对流型叶片在54rpm (仅平直方向)时的第四阶模态，5.82 Hz 30

图2.24对流型叶片在54rpm(边向/扭转)时的第五阶模态，6.2 Hz 30

图2.25对流型叶片在54 rpm (仅平直方向)时的第六阶模态，8.4 H 31

图2.26对流型叶片在54 rpm (仅平直方向)时的第七阶模态，11.36 Hz 31

图2.27对流型叶片在54rpm（边向/扭转）时的第八阶模态，13.3 Hzhellip;hellip;hellip;..hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.32

图2.28对流型叶片在54rpm (仅平直方向)时的第九阶模态，14.82 Hz 32

图2.29对流型叶片在54rpm (仅平直方向)下的第十阶模态，18.74 Hz 33

图3.1垂直轴风机及坐标系 [8] 37

图3.2叶片截面坐标系[8] 37

图3.3叶片变形前后的轴向坐标系统[8] 38

第一章:绪论与文献综述

背景

发展可再生能源是当今迫切的需要，根据现代研究表明，化石燃料如石油和天然气将在不久的将来枯竭。可再生能源是指太阳能、风能、地热能等能源。在可再生能源中，风能是最主要的可再生能源之一。风机是最受

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