水平轴风力机叶片动力失速气弹稳定性及响应特性研究

论文摘要

叶片作为风力机系统的重要组成部分,在运行过程由于气动力、惯性力和弹性力的耦合作用,容易产生动力失速气弹不稳定性问题。叶片动力失速非线性颤振,将会引起很大的动应力,造成叶片疲劳破坏,影响风力机运行安全性和可靠性。因此,风力机的气弹稳定性及响应问题的研究,具有重要的理论价值和工程实际意义。本文基于典型的风力机叶片的2维截面模型和0NERA动力失速气动模型,建立了水平轴风力机叶片的非线性气动弹性方程。采用四阶龙格-库塔法求解非线性气弹方程,得到在不同缩减速度参数下的叶片摆振-挥舞耦合颤振的时域动态响应曲线;采用谐波平衡法,建立了水平轴风力机叶片动力失速气动力的非线性气弹响应的频域分析模型,通过非线性方程组的迭代计算,得到叶片摆振-挥舞稳态振动幅值随无量纲缩减速度参数的变化曲线;基于经典的叶素理论,从叶片截面气动阻尼现象的基本物理机理出发,通过对叶片进行模态分析,导出叶片的模态气动阻尼的对数衰减率δn。从模态气弹阻尼的角度对风力机叶片气动弹性稳定性进行分析与判断,数值得到叶片摆振模态和挥舞模态所对应的气动阻尼对数衰减律随缩减速度参数的变化规律。研究结果表明:1、来流风速对叶片的稳定性有显著的影响。在来流风速较低时,即风力机处于设计风速内运行时,风力机始终是稳定的;当风速达到或者超过风力机的设计风速时,即达到了临界颤振速度时,风力机的动稳定性会受到破坏,甚至会发生颤振导致事故的发生。2、叶片的刚度对叶片的气动弹性稳定性有明显的影响。叶片的刚度越大,质量密度越大,风机系统越稳定。随着叶片刚度的降低,叶片振动逐渐向不稳定方向发展。3、增加叶片的结构阻尼能够明显减小叶片发生动力失速气弹不稳定的缩减速度κ的取值范围。4、根据叶片的模态气动阻尼能够获得叶片气弹稳定性方面的信息。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 风力发电技术简介
• 1.1 风力发电原理
• 1.2 风力发电机系统的构成
• 1.3 风力发电机的分类
• 1.4 风力机叶片的气动弹性问题
• 1.5 本文研究的意义
• 1.6 本文的主要工作
• 2 气动弹性问题以及非线性响应求解理论
• 2.1 数值解法
• 2.2 谐波平衡法
• 2.3 特征值判定法
• 3 基于数值积分法的挥舞/摆振叶片动力失速非线性气弹稳定性研究
• 3.1 叶片气弹方程
• 3.2 ONERA气动力模型
• 3.3 非线性气弹方程求解
• 3.4 数值结果
• 3.5 本章小结
• 4 基于谐波平衡法的挥舞/摆振叶片动力失速非线性响应的近似解
• 4.1 ONERA气动力的谐波分解
• 4.2 挥舞/摆振叶片非线性响应的谐波平衡近似解
• 4.3 本章小结
• 5 气动弹性阻尼分析
• 5.1 叶片截面的局部气动阻尼
• 5.2 叶片模态气弹阻尼
• 5.3 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文
• 参考文献