大型風力機非定常載荷計算及其減緩研究.pdf

1、風力機復雜運行工況和復雜的隨機風速場使得大型化的風力機的非定常流動更加嚴重，葉片容易產(chǎn)生大變形現(xiàn)象，從而導致明顯的氣動結(jié)構(gòu)耦合效應，同時加重了風力機的極限載荷和疲勞載荷。因此，為了提高大型風力機設(shè)計水平和節(jié)約成本，大型風力機非定常載荷計算精度以及實現(xiàn)其載荷減緩研究具有重要意義。
　　采用小波逆變換方法，仿真出相互獨立的風力機隨機風場，再對其進行空間相關(guān)性修正。分析了三種風功率頻譜的差異特點，基于改進Von karman功率頻譜模型

2、，采用Littlewood-Paley小波基作為小波逆變換的正交基函數(shù)。利用小波系數(shù)和功率頻譜密度函數(shù)的關(guān)系進行了空間相關(guān)性修正，實現(xiàn)大型風力機隨機風速場的數(shù)值模擬。并通過時域分析、頻域分析以及時頻聯(lián)合分析，得到模擬頻譜與目標頻譜吻合較好，結(jié)果體現(xiàn)了風力機隨機風速場的非平穩(wěn)性、局部相似性和間隙性，具有高非線性風速功率頻譜的逼近性，證明了該方法在模擬風力機隨機風場的有效性和準確性。
　　針對穩(wěn)態(tài)偏航、動態(tài)偏航、風剪切和隨機風速場等復

3、雜工況，復雜工況模型嵌入到自由渦尾跡方法中。采用Weissinger-L升力面模型進行葉片氣動模型的簡化。根據(jù)Biot-Savart定律進行了誘導速度的求解，引入了Lamb-Oseen渦核模型用于提高尾跡求解的收斂性和準確性。進行了動態(tài)失速模型和三維旋轉(zhuǎn)效應模型修正，實現(xiàn)了基于自由渦尾跡方法的大型風力機復雜工況數(shù)值計算，通過Phase VI風力機實驗數(shù)據(jù)進行計算模型的驗證。比較了不同復雜工況的氣動載荷和尾跡結(jié)果，得出了風力機在復雜工況下

4、的氣動性能、載荷和尾跡葉尖渦線特性，并計算出在復雜工況下的氣動載荷超調(diào)量和遲滯時間。這為拓展自由渦尾跡方法應用于風力機工程的大批工況載荷計算，提高大型風力機的載荷計算精度和設(shè)計水平等具有重要意義。
　　采用有限元方法進行風力機葉片模擬，采用線性有限元梁模型和幾何非線性梁模型分別進行葉片的簡化。考慮風力機葉片氣動載荷、慣性載荷和重力載荷，建立起大型風力機的動力學方程，通過Newmark方法進行求解，采用Newton-Raphson方

5、法進行結(jié)構(gòu)內(nèi)部迭代收斂的求解，實現(xiàn)了自由渦尾跡耦合有限元方法的大型風力機非定常載荷計算。得出了考慮結(jié)構(gòu)耦合影響后，大型風力機的氣動性能和尾跡區(qū)別，以及線性有限元模型和幾何非線性有限元模型的風力機動態(tài)響應區(qū)別。結(jié)果表明了考慮大型風力機的葉片結(jié)構(gòu)耦合影響和幾何非線性的重要性，這為提高大型風力機的動態(tài)響應和非定常載荷計算精度具有重要意義。
　　采用柔性尾緣襟翼的控制方式，安裝在靠近葉尖處，設(shè)定偏轉(zhuǎn)幅值為±20°，實現(xiàn)風力機載荷減緩,并且

6、采用CFD(Computational Fluid Dynamics)方法，進行尾緣襟翼的氣動性能研究。通過動網(wǎng)格技術(shù)中的彈簧網(wǎng)格模擬尾緣襟翼舵的動態(tài)偏轉(zhuǎn)，進行了不同尾緣襟翼偏轉(zhuǎn)速率和不同偏轉(zhuǎn)規(guī)律的動態(tài)特性分析。建立了NH1500風力機尾緣襟翼的氣動性能數(shù)據(jù)庫，耦合到自由渦尾跡方法中，從而實現(xiàn)了帶尾緣襟翼的風力機載荷計算及減緩效果研究。總結(jié)得出了翼型相對厚度對尾緣襟翼氣動性能的影響，以及當尾緣襟翼向壓力面和吸力面偏轉(zhuǎn)時，風力機氣動性能和

7、載荷的變化規(guī)律。計算結(jié)果還表明尾緣襟翼具有較好的載荷減緩效果。
　　針對載荷沿風力機傳動鏈的傳遞，考慮了柔性傳動軸和齒輪嚙合效應，建立了兩質(zhì)量塊、五質(zhì)量塊和考慮齒輪嚙合的傳動鏈動力學模型。通過實驗值和其他學者的計算結(jié)果對比，驗證了傳動鏈模型的可靠性。結(jié)合了大型風力機的氣動結(jié)構(gòu)耦合計算的程序，實現(xiàn)了整機的傳動鏈動態(tài)響應計算?；贖∞魯棒控制理論，進行了葉片和塔架減振控制律設(shè)計。分析了傳動鏈系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)響應以及整機的固有頻率特性