考慮氣動彈性的風力機葉片分析.pdf

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1、華南理工大學學報(自然科學版)第43卷第2期JournalofSouthChinaUniversityofTechnologyV0l_43No．22015年2月(NaturalScienceEdition)February2015文章編號：1000-565X(2015)02-0102-05考慮氣動彈性的風力機葉片分析冰陳進李松林郭小鋒孫振業(yè)(重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶400044)摘要：運用修正的葉素一動量理論和有限元方法，建立了一種全新的考慮氣動彈性的風力機葉片性能分析方法．運用該方法，在多種風速工況下對某8

2、50kW風力機葉片的性能進行了計算，結(jié)果表明：對于大功率風力機，在大風速大載荷工況下，氣動彈性對風輪性能有明顯的影響，使葉片偏離原設(shè)計值．該方法的運用對于葉片的氣動設(shè)計、載荷計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計有實際指導意義．關(guān)鍵詞：風力機；葉片性能；氣動彈性；葉素一動量理論；有限元分析中圖分類號：TK83doi：10．3969／j．issn．1000565X．2015．02．015風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到對風力機葉片流固耦合分析做出了貢獻，都值得借世界各國的關(guān)注與重視，風力機也在近年來得到廣鑒與研究．然而，上述學者在研究風力

3、機流固耦泛的應(yīng)用與發(fā)展．隨著風力發(fā)電機輸出功率的不斷合時，做了很多假設(shè)：如將葉片簡化為梁單元模型，提高，風輪葉片的尺寸也越來越大．目前國內(nèi)外大部并沒有采用葉片最真實的內(nèi)部結(jié)構(gòu)’；或只考慮分的研究和已有的風力機葉片氣動設(shè)計軟件都是在葉片扭振變形對載荷的影響，忽略了揮舞及擺振變不考慮葉片彈性變形的前提下，通過改變?nèi)~片的翼形對載荷的影響．這些假設(shè)偏離了葉片運轉(zhuǎn)中的真型、弦長和扭角沿展向的分布來設(shè)計葉片氣動外形．實情況，會造成計算結(jié)果與真實情況存在較大偏差．因然而，真實葉片并不是剛性的，在實際運轉(zhuǎn)中，葉片此，為了更加準確地計算葉

4、片在運轉(zhuǎn)中的性能，文中提會產(chǎn)生彈性變形，從而造成作用在葉片上的載荷變出一種新的考慮氣動彈性的風力機葉片分析方法，該方法以修正的葉素一動量理論為基礎(chǔ)，運用有限元法化．變化的載荷與柔性葉片之間的耦合作用會影響對葉片真實結(jié)構(gòu)進行流固耦合分析，綜合考慮葉片扭葉片變形，如果忽略這種耦合作用將使葉片偏離原振、揮舞和擺振變形對風力機性能的影響．設(shè)計點，影響氣動效率，對風力機的正常運轉(zhuǎn)造成較大的影響¨J．1方法描述目前，國內(nèi)外已有一些學者開展了風力機葉片流固耦合的研究工作．Gaetan等對簡化的梁單元1．1風力機葉片模型葉片模型進行氣動

5、結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計，設(shè)計出的葉片文中的葉片模型選用某850kW風力機葉片作在性能上有一定的提升；陳佳慧等以葉素一動量為參考葉片_l，葉片總長26．75m，葉片的相對厚度理論和盒形梁理論為基礎(chǔ)，提出了風力機葉片靜氣從最大弦長處的40％沿著展向遞減到葉尖處的動彈性分析方法，該方法能夠?qū)θ~片氣動設(shè)計與載18％．在葉根處，葉片的扭角為12。，葉尖處為0。．葉荷計算方法進行氣動彈性修正；另外還有一些學者片外形如圖1所示．收稿日期：2014-08-28基金項目：國家“863”計劃項目(2012AA051301)；國家自然科學基金資助項目

6、(51175526)Foundationitems：SupposedbytheNationalHigh·TechR&DProgramofChina(863Program)(2012AA051301)andtheNationalNaturalScienceFoundationofChina(51175526)作者簡介：陳進(1956)，男，博士，教授，主要從事可再生能源裝備設(shè)計理論與方法研究．E—mail：chenjin413@cqu．edu．CH第2期陳進等：考慮氣動彈性的風力機葉片分析103型風力機，其風輪轉(zhuǎn)速控制曲線

7、和槳距角槳距角曲線如圖4所示．該風力機的運行狀態(tài)隨風速變化分為3個階段：1)低風速切人階段：在風速小于5m／s時，風輪轉(zhuǎn)速恒定，葉尖速比逐漸減小，功率系數(shù)逐漸增大到最大值；圖1參考葉片外形圖Fig．1Shapeofreferenceblade2)功率系數(shù)恒定階段：當風速處于5—10m／s時，隨風速的增大，為了使功率系數(shù)穩(wěn)定在最大值，葉片采用兩個剪切橫梁的截面形式，這種構(gòu)造風輪轉(zhuǎn)速將逐漸增大，直到風力機達到額定功率．形式通過腹板將葉片內(nèi)部分成5個部分’mJ，從左3)額定功率階段：當風力機達到額定功率后，至右依次為前緣增強、

8、翼型前緣、主梁、翼型后緣及通過改變槳距角使風力機輸出功率始終為額定功后緣增強，主梁由主腹板連接，如圖2所示．率，直到風速達到切出速度．；25毒后20緣增強15噻5l0l52O25來流風速／(m·s)圖2葉片截面(a)風輪轉(zhuǎn)速控制曲線Fig．2Structureofbladesection葉片內(nèi)部鋪層由單向布、雙向布和