水平轴风力机气动阻尼特性分析与优化设计

论文摘要

在风力机系统稳定性问题日益突出并受到普遍关注的背景下,本文依托国家自然科学基金项目“基于动态气动力学的风力机失速特性研究”(项目编号:50676053)和广东省自然科学基金重点项目“基于动态气动力学的风力机失速阻尼特性研究”(项目编号:07118378),探究了与风力机系统失稳密切相关的失速气动阻尼特性。失速气动阻尼特性主要研究失速条件下气动载荷对结构振动的响应。本文首先从气动阻尼特性的基础性研究入手,对现有三维随机湍流风场模型、动态失速模型进行必要修正,从而为气动阻尼特性的研究创建准确的外部输入条件,在此基础上通过对风力机叶片翼型截面进行稳态气动力分析,同时结合整个叶片的结构动力学模态分析,创建了有效的风力机单翼型和单叶片稳态气动阻尼分析模型,并深入探究了影响翼型和叶片气动阻尼变化的各种关键参数,以容易引发叶片失速振动的负气动阻尼为研究重点,提出了改善叶片气动阻尼性能的具体操作方法。接着,在时域分析中,将三维随机湍流风场模型仿真的时序湍流风和动态失速模型生成的叶片各截面翼型攻角和升、阻力系数随时间的变化曲线输入创建的单翼型和单叶片稳态气动阻尼分析模型,将稳态模型转换成单翼型和单叶片动态气动阻尼分析模型。进而,综合单叶片动态气动阻尼模型、湍流风场修正模型、动态失速模型、叶片结构动力学模型、整机结构动力学模态综合分析方法以及风力机全系统动态过程模型建立了风力机全系统气动阻尼分析模型,并提出了有效的气动阻尼分析方法,对基于动态气动力学的风力机失速阻尼特性和叶片动态响应进行了分析计算。以容易引发叶片失速振动的负气动阻尼为研究重点,应用建立的全系统气动阻尼分析模型,输出结构动态载荷,并结合有限元分析软件ABAQUS,探究了叶片失速振动损坏的机理。最后,将创建的气动阻尼分析模型引入传统的风力机优化设计模型,规划了详细的抑振设计与优化流程,形成了寻求良好气动特性和失速阻尼特性风力机叶片的优化设计模型,为风力机故障诊断和抑振优化提供了有效的方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号表
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 全球风电发展现状及预测
• 1.1.2 我国风电发展现状及预测
• 1.1.3 风电技术发展特点及趋势
• 1.1.4 风电技术发展中存在的问题
• 1.1.5 本课题的意义
• 1.2 本文的主要工作
• 第二章 风力机气动阻尼特性研究基础
• 2.1 湍流风场修正模型研究
• 2.1.1 稳态风场模型
• 2.1.2 湍流风场修正模型
• 2.1.3 实际算例
• 2.2 动态失速模型研究
• 2.2.1 Beddoes-Leishman 模型简介
• 2.2.2 实际算例
• 2.3 风力机阻尼相关基础理论
• 2.3.1 结构阻尼基础理论
• 2.3.2 气动阻尼研究进展
• 第三章 单叶片气动阻尼模型
• 3.1 气动阻尼简介
• 3.2 单翼型气动阻尼模型
• 3.2.1 翼型函数表达式
• 3.2.2 功率-推力函数表达式
• 3.2.3 振动方向对气动阻尼的影响
• 3.3 单叶片气动阻尼模型
• 3.4 实例计算
• 3.4.1 单翼型气动阻尼计算
• 3.4.2 单叶片模态气动阻尼计算
• 3.5 结果分析与模型修正
• 第四章 全系统气动阻尼模型
• 4.1 全系统气动阻尼模型
• 4.1.1 叶片结构动力学模型
• 4.1.2 叶片外部载荷
• 4.1.3 气动阻尼和结构阻尼
• 4.2 叶片与塔架的耦合
• 4.3 结构动力响应的数值解法
• 4.4 算例
• 第五章 基于气动阻尼特性分析的风力机故障处理
• 5.1 案例一：失速型风力机叶尖刹车轴断裂故障分析
• 5.2 案例二：变桨型风力机在恶劣气候下叶片断裂故障
• 第六章 基于气动阻尼模型的风力机优化设计
• 6.1 风力机基本设计参数
• 6.1.1 额定功率
• 6.1.2 风轮直径
• 6.1.3 风轮叶片数
• 6.1.4 额定风速
• 6.1.5 叶尖速比
• 6.1.6 风轮转速
• 6.1.7 实度
• 6.1.8 翼型
• 6.2 风力机稳态气动设计理论
• 6.2.1 叶素动量理论
• 6.2.2 叶素动量理论的修正
• 6.3 针对实际机组建模
• 6.3.1 坐标系统
• 6.3.2 风剪
• 6.3.3 风速分量
• 6.3.4 计算模型
• 6.4 气动优化设计数学模型
• 6.4.1 设计变量
• 6.4.2 目标函数
• 6.4.3 约束条件
• 6.4.4 遗传算法
• 6.5 基于气动阻尼特性模型的优化
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表论文情况
• 个人简历