兆瓦級Darriens型立軸式風力機氣動性能評價和結構動特性研究.pdf

1、立軸式風電機組以其不需要調(diào)整風向,發(fā)電機、齒輪箱等設備放在地面上等特點,極大克服了水平軸風電機組結構上的固有缺陷,將成為新型高效大型風電機組開發(fā)的趨勢。立軸式風力機運行時攻角發(fā)生大范圍的周期性變化,大攻角運行時將產(chǎn)生流動分離和渦旋現(xiàn)象,由此引起的動態(tài)失速效應使立軸風力機的氣動性能評價變得復雜。由于外激勵風載荷的交變性和隨機性,風力機的振動是必然的,立軸風力機風輪屬于旋轉(zhuǎn)結構,由于旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心軟化效應、應力剛化效應和科氏力效應,使立軸風力

2、機振動特性的獲取比較復雜,同時風力機結構運行時處于氣流中,空氣和結構耦合的氣彈效應也將影響風力機結構的動特性,并有可能誘發(fā)結構的顫振。究其本質(zhì),離心軟化效應、應力剛化效應和科氏力效應是由于結構大運動與變形耦合主要是旋轉(zhuǎn)運動與變形耦合造成的,而氣彈效應亦是由于結構運動造成流同邊界變化從而形成氣動力和結構彈性力耦合行為。這些耦合問題涉及到連續(xù)介質(zhì)力學和一般力學以及空氣動力學和彈性力學的交叉學科,成為近幾十年以來的研究熱點和難點。
　　

3、 本文回顧了VAWT結構氣動性能評價研究現(xiàn)狀,考察了VAWT柔性結構動力學建模方法和模態(tài)分析研究現(xiàn)狀,并對VAWT氣動彈性穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀進行了綜述。論文的主要工作內(nèi)容和結論如下:
　　 ①設計了MW級VAWT系統(tǒng)設計的技術路線,對1.2 MW Darrieus型VAWT系統(tǒng)進行了初步設計,結合氣動分析和結構分析對風力機各子系統(tǒng)進行了參數(shù)設計,并繪制了風力機系統(tǒng)的設計圖。
　　 ②通過采用Gormont動態(tài)失速模型、B-

4、L動態(tài)失速模型和ONERA動態(tài)失速模型等三個半經(jīng)驗動態(tài)失速模型,結合雙多流管氣動評價模型對Sandia17m VAWT進行了氣動評價并結合實驗數(shù)據(jù)進行了對比,選取了Gormont動態(tài)失速模型對1.2MW Darrieus型VAWT進行了氣動評價,并綜合考慮了雷諾數(shù)、風剪效應和有限展弦比效應的影響。
　　 ③從動力學建模方法出發(fā),得到離心環(huán)境下梁結構的動力學方程的有限元格式,數(shù)值分析得到VAWT結構動頻即Campbell圖,并反過

5、來修改結構設計,分析了離心軟化效應、科氏力效應和幾何剛化效應對Campbell圖的影響。
　　 ④借助ANSYS二次開發(fā)技術,在ANSYS二次開發(fā)平臺上利用用戶自定義單元Matrix27,建立了適合于風力機葉片氣動彈性分析的有限元矩陣以及考慮氣動彈性效應的風力機有限元動力學方程。對1.2 MW Darrieus型立軸風力機進行了氣動彈性穩(wěn)定性分析,研究了在工作風速下風力機發(fā)生顫振的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速和顫振頻率。
　　 ⑤離心場中結

6、構的動力學方程出現(xiàn)科氏一階項為非比例阻尼項,使結構的模態(tài)矢量為復模態(tài)矢量,然而,在實際結構動力學分析中往往舍棄虛部直接將復模態(tài)矢量處理為實矢量。本文發(fā)現(xiàn),復模態(tài)矢量蘊含了結構質(zhì)點的耦合運動即極化運動,而實模態(tài)矢量則對應了質(zhì)點的線運動,以實模態(tài)矢量代替復模態(tài)矢量的簡化處理會掩蓋振動系統(tǒng)的運動學本質(zhì)?？剖弦浑A阻尼形式并非真實的物理阻尼,不引起系統(tǒng)自由振動的衰減。對于離心場中的雙自由度彈簧.質(zhì)量振動系統(tǒng),科氏力項使系統(tǒng)的模態(tài)矢量為復矢量,復矢

7、量表示系統(tǒng)質(zhì)量點的運動軌跡為圓周軌跡。同時,對于離心場中的雙自由度質(zhì)量彈簧阻尼振動系統(tǒng),結構阻尼引起系統(tǒng)自由振動的衰減,使得系統(tǒng)單一復模態(tài)質(zhì)量點的運動軌跡為圓螺旋運動軌跡。
　　 ⑥建立了離心場中懸臂梁動力學方程的有限元格式,重點關注懸臂梁的前兩階模態(tài),分析比較了科氏力對懸臂梁動頻與離心轉(zhuǎn)速關系的影響。本文發(fā)現(xiàn),離心場中懸臂梁關于位移和轉(zhuǎn)角的模態(tài)矢量均為復模態(tài)矢量,位移的前兩階復模態(tài)矢量對應著結構質(zhì)點的平動橢圓極化運動軌跡,而轉(zhuǎn)