论文总字数：17270字

摘 要

化石能源的快速消耗，新能源为主的能源格局逐渐拉开帷幕。风能的快速发展，全球风电装机总量和风机单机容量不断增加。多转子风机在功率相同的同时又有较高的性价比。另外为了提高单个风机的风能利用效率，有学者提出在叶片周围添加一些附加结构以提高来流风速，如集风体等。本文探讨了带有集风体的多转子风车组，用有限元软件分别建立三转子和五转子集风体风车组的支架，模拟实际运行工况，对多转子集风体支架进行受力，屈曲分析。分析结果表明，多转子风车支架的位移和应力随着风速逐渐增大。三转子风车支架在极限风速下最大位移20cm，最大应力为168MPa。五转子风车支架在极限风速下最大位移为60cm，最大应力已经达到材料的屈服强度235MPa。比较得出，随着转子数的增加，支架结构与风载的接触面积增大，位移和应力相应增加。为避免结构发生屈服失效，支架结构的整体厚度应随转子数增加而变大，同时确定了支架的低阶固有频率值，三转子支架一阶频率为3.44Hz，五转子为1.99Hz。

关键词：多转子 集风体 支架结构 有限元分析 应力

Design of the support system for windmill with

multi-shrouded turbine

ABSTRACT

With the rapid consumption of fossil fuels, new energy-based energy structure gradually developed. Wind energy has grown rapidly as an important renewable energy source, the global wind power installed capacity and fan capacity increased. Windmills with multi-rotors have a higher cost performance for the same rated power. In addition, in order to improve the power efficiency of a single wind turbine, some researchers have proposed some additional structure around the blade to improve the wind speed, such as wind lens, etc. The support system for windmills with multi-shrouded turbine is discussed in this paper. Windmill models with three-rotors and five-rotors are constructed by the finite element method. The support system is analyzed for stress and yield analysis. The results show that the displacement and stress of the windmill with multi-rotors increase with the wind speed. The maximum displacement of the windmill with three rotors bracket at limit wind speed is 20cm, the maximum stress is 168Mpa. The limit wind speed maximum displacement of five rotor windmill bracket is 60cm, the maximum stress has reached the material yield strength is 235Mpa. With the increase of the rotor number, the contact area between the scaffold structure and the wind increases. The displacement and stress increase accordingly. In order to avoid the yield failure of the structure, the overall thickness of the scaffold structure should be increased with the increase of the rotor number. At the same time, the low-order frequency of the bracket is determined. The first order frequency of the three rotor supports is 3.44hz, the five rotors is 1.99hz.

Keywords: Multi-rotor; Wind lens; Structural support; Finite element analysis; Stress

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 前言 1

1.1 课题背景 1

1.2 风力发电在国内外的发展形式 1

1.2.1中国风电的发展 1

1.2.2世界风电的发展 2

1.3 多转子风力机和聚风型风力机的研究 3

1.3.1多转子风机 3

1.3.2集风型风机 5

1.3.3研究内容 6

第二章 有限元理论知识及计算 7

2.1 有限元分析 7

2.3 有限元中的应力计算 8

2.4本章小结 9

第三章 复合多转子风车组有限元模型的建立 10

3.1 模型尺寸 10

3.2 风车组模型结构及其厚度 11

3.3边界条件 16

3.4材料特性设定 18

3.5本章小结 19

第四章 分析结果与讨论 20

4.1 位移分析 20

4.1.1三转子在不同风速下的位移 20

4.1.2五转子在不同风速下的位移 21

4.2 应力分析 22

4.2.1三转子应力分析 22

4.2.2五转子应力分析 24

4.3 频率分析 26

4.4本章小结 28

第五章 研究结论 29

结论 29

参考文献 30

致 谢 32

第一章 前言

1.1 课题背景

人类文明到了21世纪之后，关于能源的一系列问题显露出来，人类的生存情况受到了威胁。全球范围的工业化，对传统能源的需求增多，导致全球资源短缺，能源问题日益突显。当今，中国正处于经济高速发展的阶段，国内的环境受到了许多的破坏，例如酸雨天气和雾霾。在那些工业较为发达的地区，雾霾问题更加严重，甚至直接危害到人们的健康和生活。因此提高对新能源的使用，是减少污染、降低对传统能源的使用、遏制环境问题、实现绿色友好型社会的举措。新能源都有着可再生，分布范围广，对解决能源短缺和环境问题有着重大的作用。对于新能源的开发和利用是我们当代能源持续发展的重要组分。除了对水力的利用，风能是现在发展技术相比成熟、分布范围广、有一定规模的能源。它是一种清洁、廉价、储量极为丰富的可再生能源，它与常规能源不同，在其利用过程中不会带来环境污染问题，同时也是一种取之不尽用之不竭的能源[1]。风能的开发利用成本相对较低，具备了规模化开发利用的条件[2]。因此，风能这种可再生清洁能源受到了世界各国的日益关注[3]。

1.2 风力发电在国内外的发展形式

1.2.1中国风电的发展

中国国内的几个风能主要分布区域“三北”地区、东南沿海和内陆局部地区[4]。三北地区包括东北、西北、内蒙古北部等区域。其中约有存量为20Gw的风能资源可供开发使用。而且三北地区土地平坦，交通便捷，是国内最大的连片风能资源利用区，对于大规模发展风电场有利[5]。东南沿海地区因为临近台湾海峡，受到峡管效应使风速变大，风能可利用率高。除了上述两个风能丰富地区，内陆还有一些地区由于一些特殊地形的影响，风能储量也较为丰富。近来，我国风电产业发展迅速。2009 年增加的风电装机容量为1380万kW，已经超越美国，成为新增风电装机容量最大的国家[6]。2009年中国的累计风电装机量是2580万kW，仅次于美国；2010年，新增加的风电装机容量为1892万kW，总共的风电装机容量为4473.3万kW，新增和总共累计的风电装机容量中国超越了美国[7]。具体数据见图1-1和1-2。

大力发展风电，给风电行业带来了发展良机，同时也滋生出了很多的问题，完善体制，建立一流的风能评估和风电技术研究基地，善于应用国家调控，风电发电一定会朝着更好更强的方向不断发展[8]。总之，风电以其丰富的资源、良好的环境效益和逐步降低的发电成本，必将成为21 世纪中国重要的电源。

1.2.2世界风电的发展

全球的风电增长迅猛，2015 年新增装机容量已达到了63,013MW，累计装机容量达到432,419MW，实现了22%的年增长率[9]。风电行业的重心开始转移，从欧美地区，向着亚洲地区转移，因为部分发展中国家开始重视清洁能源，印度、中国等国家大力发展风电。

风电作为除水电外最具市场运营的清洁能源，在世界范围得到了广泛的认可。随着风力技术的发展与成熟，其发电成本将逐渐缩小。在未来，亚洲、欧美等风电行业将成为全球风电行业的重心。在各国鼓励政策及清洁能源需求增长的推动下，全球风电市场将持续增长。图1-3是07年到15年世界分区域新增能装机容量，据预测，2015年全球新增装机容量将为53.5GW，同比上升3.9%；从2015年至2019年，全球新增装机容量将以3%-7%的速度增长。到2019年，全球累计装机容量将达到约666.1GW。

1.3 多转子风力机和聚风型风力机的研究

1.3.1多转子风机

随着全球风电装机容量和单机容量的增加，风力机的功率也逐渐增加，引起了风机体积质量很大、叶片过长，安装和运输困难等问题[10]。大功率风机还因部件多而大，一般维修都要进入高空作业，增加了安装和维修的费用和难度。而小功率风机相比于大功率风机，叶片小，发展技术成熟，操作维修方便，但是小功率风机也有发电量小，占地面积大，发电功率低的问题[11]。因此研究人员在一个塔架上安装多个小功率风机，使其总功率与单个大型风力机相当。解决了一机一架的低空间利用情况，增加了风能扫掠面积。例如，图1-4是5个1MW的单元系统构成了5MW的多转子系统。直径D的大转子，由n个具有相同扫描面积的直径D的小转子代替[12]。 对于相同的功率输出，忽略风切变，数学表达式可以写为：

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