风力机柔性叶片模态气动阻尼分析方法研究

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随着风力机技术的不断发展,单机大型化是风力机技术发展的必然趋势,然而单机大型化使得叶片柔性显著增加,在运转过程中柔性叶片会受到气动力、惯性力、弹性力等载荷的作用,多种载荷之间相互耦合,使叶片振动越来越剧烈,造成振动失稳,即所谓风力机的气弹失稳问题。目前,风力机叶片的气弹稳定性一直是风电技术领域研究备受关注的热点问题。其中,分析其在特定工况下的模态气动阻尼特性是目前的研究热点之一。本文在研究柔性叶片气弹时域响应特性的基础上,结合叶片模态参数识别方法,分别对大型风力机叶片在某稳态风速和随机紊流风况下的模态气动阻尼分析方法进行了研究。  风力机叶片的阻尼包括结构阻尼和气动阻尼,即所谓的气弹阻尼。结构阻尼与叶片的结构与材料特性有关,而气动阻尼指气流作用于叶片并和叶片振动速率成正比,与振动速度相关的项。模态气动阻尼是指叶片各阶主振动模态对应的气动阻尼。在叶片运转过程中,如果模态气动阻尼为负值,意味着在振动过程中气动力对振动做正功,会加剧叶片的振动,进而造成叶片失稳。  本文采用多体动力学理论和混合多体系统建模方法,并结合经过修正的叶素动量理论,建立柔性风力机叶片气弹耦合方程,并研究其数值求解方法。在求解气弹耦合方程得出叶片在某运行工况下的气弹响应基础上,结合柔性叶片振动模态参数包括模态频率、模态向量和模态质量等物理量的识别,对稳态风速模态气动阻尼采用振动能量损失法,即计算气动力在叶片振动周期内所做的功,导出了叶片模态气动阻尼比计算式,建立了叶片挥舞、摆振各阶模态气动阻尼比数值分析流程。对随机风速下的模态气动阻尼,通过对气动力进行泰勒展开,求解出气动力对速度的偏导数,从而得出随机风速下模态气动阻尼的分析过程和计算方法。  以5MW风力机叶片模型作为研究对象,算例分析了5MW风力机模型叶片在多种工况下的一阶模态气动阻尼比,表明所建立模型和分析方法的有效性和可靠性,为大型风力机柔性叶片的气动阻尼特性和气弹稳定性分析提供有效手段。
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