大型風(fēng)力機(jī)非定常載荷計(jì)算及其減緩研究.pdf

1、風(fēng)力機(jī)復(fù)雜運(yùn)行工況和復(fù)雜的隨機(jī)風(fēng)速場使得大型化的風(fēng)力機(jī)的非定常流動更加嚴(yán)重，葉片容易產(chǎn)生大變形現(xiàn)象，從而導(dǎo)致明顯的氣動結(jié)構(gòu)耦合效應(yīng)，同時(shí)加重了風(fēng)力機(jī)的極限載荷和疲勞載荷。因此，為了提高大型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)水平和節(jié)約成本，大型風(fēng)力機(jī)非定常載荷計(jì)算精度以及實(shí)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(dú)立的風(fēng)力機(jī)隨機(jī)風(fēng)場，再對其進(jìn)行空間相關(guān)性修正。分析了三種風(fēng)功率頻譜的差異特點(diǎn)，基于改進(jìn)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(jìn)行了空間相關(guān)性修正，實(shí)現(xiàn)大型風(fēng)力機(jī)隨機(jī)風(fēng)速場的數(shù)值模擬。并通過時(shí)域分析、頻域分析以及時(shí)頻聯(lián)合分析，得到模擬頻譜與目標(biāo)頻譜吻合較好，結(jié)果體現(xiàn)了風(fēng)力機(jī)隨機(jī)風(fēng)速場的非平穩(wěn)性、局部相似性和間隙性，具有高非線性風(fēng)速功率頻譜的逼近性，證明了該方法在模擬風(fēng)力機(jī)隨機(jī)風(fēng)場的有效性和準(zhǔn)確性。
　　針對穩(wěn)態(tài)偏航、動態(tài)偏航、風(fēng)剪切和隨機(jī)風(fēng)速場等復(fù)

3、雜工況，復(fù)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(jìn)行葉片氣動模型的簡化。根據(jù)Biot-Savart定律進(jìn)行了誘導(dǎo)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(zhǔn)確性。進(jìn)行了動態(tài)失速模型和三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)模型修正，實(shí)現(xiàn)了基于自由渦尾跡方法的大型風(fēng)力機(jī)復(fù)雜工況數(shù)值計(jì)算，通過Phase VI風(fēng)力機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算模型的驗(yàn)證。比較了不同復(fù)雜工況的氣動載荷和尾跡結(jié)果，得出了風(fēng)力機(jī)在復(fù)雜工況下

4、的氣動性能、載荷和尾跡葉尖渦線特性，并計(jì)算出在復(fù)雜工況下的氣動載荷超調(diào)量和遲滯時(shí)間。這為拓展自由渦尾跡方法應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)工程的大批工況載荷計(jì)算，提高大型風(fēng)力機(jī)的載荷計(jì)算精度和設(shè)計(jì)水平等具有重要意義。
　　采用有限元方法進(jìn)行風(fēng)力機(jī)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(jìn)行葉片的簡化。考慮風(fēng)力機(jī)葉片氣動載荷、慣性載荷和重力載荷，建立起大型風(fēng)力機(jī)的動力學(xué)方程，通過Newmark方法進(jìn)行求解，采用Newton-Raphson方

5、法進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)部迭代收斂的求解，實(shí)現(xiàn)了自由渦尾跡耦合有限元方法的大型風(fēng)力機(jī)非定常載荷計(jì)算。得出了考慮結(jié)構(gòu)耦合影響后，大型風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)動態(tài)響應(yīng)區(qū)別。結(jié)果表明了考慮大型風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)的動態(tài)響應(yīng)和非定常載荷計(jì)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(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)載荷減緩,并且

6、采用CFD(Computational Fluid Dynamics)方法，進(jìn)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(jìn)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(fēng)力機(jī)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(shí)現(xiàn)了帶尾緣襟翼的風(fēng)力機(jī)載荷計(jì)算及減緩效果研究?？偨Y(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(dāng)尾緣襟翼向壓力面和吸力面偏轉(zhuǎn)時(shí)，風(fēng)力機(jī)氣動性能和

7、載荷的變化規(guī)律。計(jì)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(fēng)力機(jī)傳動鏈的傳遞，考慮了柔性傳動軸和齒輪嚙合效應(yīng)，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(xué)模型。通過實(shí)驗(yàn)值和其他學(xué)者的計(jì)算結(jié)果對比，驗(yàn)證了傳動鏈模型的可靠性。結(jié)合了大型風(fēng)力機(jī)的氣動結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算的程序，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)的傳動鏈動態(tài)響應(yīng)計(jì)算?；贖∞魯棒控制理論，進(jìn)行了葉片和塔架減振控制律設(shè)計(jì)。分析了傳動鏈系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)響應(yīng)以及整機(jī)的固有頻率特性