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1、第５期（總第１９８期）機(jī)械工程與自動(dòng)化Ｎｏ．５２０１６年１０月ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＯｃｔ．文章編號(hào)：１６７２-６４１３（２０１６）０５-００４０-０２切變風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)葉片流固耦合分析周文平，肖燕（瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川瀘州６４６００５）摘要：風(fēng)力機(jī)處于復(fù)雜的自然環(huán)境中，隨著葉片尺寸和柔性不斷變大，氣動(dòng)彈性問(wèn)題日益突出。將基于時(shí)間步進(jìn)自由尾跡的氣動(dòng)載荷模型與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行耦合，計(jì)算了風(fēng)力機(jī)在切變風(fēng)速下的氣彈響應(yīng)特性。計(jì)算結(jié)果表明：切變風(fēng)速下，考慮流固耦合的風(fēng)輪葉尖變
2、形量呈現(xiàn)周期性波動(dòng)，且變形量隨著風(fēng)速的增大而增大。由于葉片變形的影響，風(fēng)輪氣動(dòng)載荷會(huì)減小，且當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，葉片變形使得風(fēng)輪載荷明顯降低。研究結(jié)果對(duì)風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制策略的改進(jìn)具有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)；切變風(fēng)速；流固耦合；氣動(dòng)載荷中圖分類(lèi)號(hào)：ＴＰ３９１.７∶ＴＫ８３文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ0引言坐標(biāo)系繞Xn軸旋轉(zhuǎn)方位角得風(fēng)輪坐標(biāo)系Sr；將Sr風(fēng)能是一種低品位能源，為了能夠更高效地從風(fēng)繞Yr軸旋轉(zhuǎn)錐角得到槳葉坐標(biāo)系Sp。β中吸取能量，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正朝著大型化、適應(yīng)低風(fēng)速［１］區(qū)的趨勢(shì)發(fā)展。風(fēng)力機(jī)經(jīng)常
3、運(yùn)行于隨機(jī)變動(dòng)的自然大氣環(huán)境中，會(huì)受到來(lái)流風(fēng)速、風(fēng)向的改變以及風(fēng)切變、大氣湍流等的影響，使得風(fēng)輪在多數(shù)情況下處于非［２］穩(wěn)態(tài)的運(yùn)行環(huán)境。對(duì)于尺寸較大的風(fēng)電機(jī)組，如果發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，就會(huì)改變槳葉所受的氣動(dòng)力；反之，氣動(dòng)力的改變又會(huì)進(jìn)一步作用于槳葉等部件的幾何變形。這種結(jié)構(gòu)變形與氣動(dòng)力的相互耦合作用可能使葉片振動(dòng)過(guò)大或振動(dòng)失穩(wěn)，甚至可能導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)強(qiáng)［３-５］烈振動(dòng)下引發(fā)的故障停機(jī)。因此，建立大型風(fēng)力機(jī)葉片流固耦合分析方法，研究切變風(fēng)、陣風(fēng)等動(dòng)態(tài)來(lái)流時(shí)葉片氣動(dòng)載荷與結(jié)構(gòu)變形之間的相互作用，對(duì)葉片的設(shè)計(jì)和性能分析、
4、提高風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行可靠性非常［６］必要，具有重要的工程實(shí)用意義。為此，本文對(duì)ＮＲＥＬＷｉｎｄＰＡＣＴ１．５ＭＷ風(fēng)力機(jī)圖１風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行研究分析，將基于時(shí)間步進(jìn)自由尾跡的風(fēng)力機(jī)氣１．２氣動(dòng)模型動(dòng)載荷模型與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行耦合計(jì)算，分析該采用作者前期建立的自由尾跡方法進(jìn)行風(fēng)輪氣動(dòng)風(fēng)力機(jī)在切變風(fēng)速下的氣動(dòng)彈性響應(yīng)特性。通過(guò)對(duì)比力計(jì)算。該方法假設(shè)繞風(fēng)輪的流動(dòng)為不可壓、無(wú)黏、無(wú)均勻來(lái)流條件下風(fēng)輪氣動(dòng)特性，得到風(fēng)切變及葉片結(jié)旋勢(shì)流，將風(fēng)力機(jī)槳葉后形成的尾跡用離散渦元表示。構(gòu)變形的流固疊加效應(yīng)對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)特性
5、的影響，自由尾跡方法主要包括兩個(gè)模型：對(duì)轉(zhuǎn)子槳葉渦系進(jìn)為風(fēng)力機(jī)安全運(yùn)行和葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。行分析的槳葉模型和對(duì)轉(zhuǎn)子尾跡進(jìn)行分析的尾跡模1計(jì)算模型型。詳細(xì)的自由尾跡模型介紹見(jiàn)文獻(xiàn)［２］。１．１坐標(biāo)系統(tǒng)１．３動(dòng)力學(xué)模型建立風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)的坐標(biāo)系統(tǒng)，如圖１所示。在動(dòng)力學(xué)模型基于ＮＲＥＬ的開(kāi)源風(fēng)力機(jī)仿真軟件［７］風(fēng)力機(jī)機(jī)艙的中心確定坐標(biāo)系S，X軸與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸ＦＡＳＴ，將風(fēng)力機(jī)假設(shè)為一個(gè)剛?cè)峤M合的動(dòng)力系統(tǒng)，對(duì)齊，Z軸垂直向上，X、Y軸形成水平面；將總體坐標(biāo)對(duì)風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的柔性部件采用模態(tài)法進(jìn)行描述，并聯(lián)系S繞Y軸旋轉(zhuǎn)風(fēng)
6、輪傾角得到傾角坐標(biāo)系Sn；將Sn合凱恩動(dòng)力學(xué)方程建立系統(tǒng)的τ運(yùn)動(dòng)方程，進(jìn)行風(fēng)力機(jī)四川省瀘州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（２０１４-Ｓ-５０（７／７））收稿日期：２０１６-０２-２３；修訂日期：２０１６-０７-１８作者簡(jiǎn)介：周文平（１９８２-），男，重慶江津人，講師，博士，主要研究方向：流體動(dòng)力機(jī)械、計(jì)算流體力學(xué)等。２０１６年第５期周文平，等：切變風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)葉片流固耦合分析?４１?變工況的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)特性分析。的影響，使得風(fēng)輪實(shí)際承受的載荷較氣動(dòng)載荷小。且風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程矩陣形式為：當(dāng)來(lái)流風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，流固耦合計(jì)
7、算對(duì)風(fēng)輪載???M（q，t）q＋f（q，q，t）＝０．（１）荷的影響較小，但當(dāng)來(lái)流風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，隨著葉其中：M為質(zhì)量矩陣；f為與系統(tǒng)位移和速度相關(guān)的向片變形的加大及壓力分布的影響，會(huì)使風(fēng)輪載荷明顯???降低。量；q為自由度的廣義坐標(biāo)；q及q分別為自由度的速度和加速度；t為時(shí)間。ＦＡＳＴ軟件采用對(duì)系統(tǒng)變量添加擾動(dòng)的方式對(duì)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行離散求解，具體的離散方法見(jiàn)文獻(xiàn)［８］。１．４仿真流程耦合風(fēng)力機(jī)動(dòng)力學(xué)模型與自由尾跡模型，對(duì)ＦＡＳＴ開(kāi)源程序進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。圖２為流固耦合仿真流程圖。仿真過(guò)程為：在每個(gè)時(shí)間步上雙向
8、傳遞結(jié)構(gòu)及氣動(dòng)數(shù)據(jù)，t時(shí)刻采用自由尾跡方法計(jì)算槳葉所受的氣動(dòng)力，并插值到結(jié)構(gòu)上計(jì)算下一時(shí)刻的槳葉動(dòng)力學(xué)響應(yīng)；然后根據(jù)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)結(jié)果更新葉片后拖出尾跡的幾何形狀和槳葉的結(jié)構(gòu)變形，并計(jì)算該時(shí)刻的氣動(dòng)力。重復(fù)上述過(guò)程即可得到風(fēng)力機(jī)的流固耦合計(jì)算結(jié)果。圖２流固耦合仿真流程圖2算例圖３切變風(fēng)速時(shí)葉尖變形采用所建立的模型對(duì)ＮＲＥＬＷｉｎｄＰＡＣＴ１．５ＭＷ風(fēng)力機(jī)在剪切入流時(shí)的流固耦合特性進(jìn)行了計(jì)算
