大型风力机非定常载荷计算及其减缓研究

发布时间：2020-07-24 14:01

【摘要】：风力机复杂运行工况和复杂的随机风速场使得大型化的风力机的非定常流动更加严重,叶片容易产生大变形现象,从而导致明显的气动结构耦合效应,同时加重了风力机的极限载荷和疲劳载荷。因此,为了提高大型风力机设计水平和节约成本,大型风力机非定常载荷计算精度以及实现其载荷减缓研究具有重要意义。采用小波逆变换方法,仿真出相互独立的风力机随机风场,再对其进行空间相关性修正。分析了三种风功率频谱的差异特点,基于改进Von karman功率频谱模型,采用Littlewood-Paley小波基作为小波逆变换的正交基函数。利用小波系数和功率频谱密度函数的关系进行了空间相关性修正,实现大型风力机随机风速场的数值模拟。并通过时域分析、频域分析以及时频联合分析,得到模拟频谱与目标频谱吻合较好,结果体现了风力机随机风速场的非平稳性、局部相似性和间隙性,具有高非线性风速功率频谱的逼近性,证明了该方法在模拟风力机随机风场的有效性和准确性。针对稳态偏航、动态偏航、风剪切和随机风速场等复杂工况,复杂工况模型嵌入到自由涡尾迹方法中。采用Weissinger-L升力面模型进行叶片气动模型的简化。根据Biot-Savart定律进行了诱导速度的求解,引入了Lamb-Oseen涡核模型用于提高尾迹求解的收敛性和准确性。进行了动态失速模型和三维旋转效应模型修正,实现了基于自由涡尾迹方法的大型风力机复杂工况数值计算,通过Phase VI风力机实验数据进行计算模型的验证。比较了不同复杂工况的气动载荷和尾迹结果,得出了风力机在复杂工况下的气动性能、载荷和尾迹叶尖涡线特性,并计算出在复杂工况下的气动载荷超调量和迟滞时间。这为拓展自由涡尾迹方法应用于风力机工程的大批工况载荷计算,提高大型风力机的载荷计算精度和设计水平等具有重要意义。采用有限元方法进行风力机叶片模拟,采用线性有限元梁模型和几何非线性梁模型分别进行叶片的简化。考虑风力机叶片气动载荷、惯性载荷和重力载荷,建立起大型风力机的动力学方程,通过Newmark方法进行求解,采用Newton-Raphson方法进行结构内部迭代收敛的求解,实现了自由涡尾迹耦合有限元方法的大型风力机非定常载荷计算。得出了考虑结构耦合影响后,大型风力机的气动性能和尾迹区别,以及线性有限元模型和几何非线性有限元模型的风力机动态响应区别。结果表明了考虑大型风力机的叶片结构耦合影响和几何非线性的重要性,这为提高大型风力机的动态响应和非定常载荷计算精度具有重要意义。采用柔性尾缘襟翼的控制方式,安装在靠近叶尖处,设定偏转幅值为±20°,实现风力机载荷减缓。并且采用CFD(Computational Fluid Dynamics)方法,以及SST k??模型进行尾缘襟翼的气动性能研究。通过动网格技术中的弹簧网格模拟尾缘襟翼舵的动态偏转,进行了不同尾缘襟翼偏转速率和不同偏转规律的动态特性分析。建立了NH1500风力机尾缘襟翼的气动性能数据库,耦合到自由涡尾迹方法中,从而实现了带尾缘襟翼的风力机载荷计算及减缓效果研究。总结得出了翼型相对厚度对尾缘襟翼气动性能的影响,以及当尾缘襟翼向压力面和吸力面偏转时,风力机气动性能和载荷的变化规律。计算结果还表明尾缘襟翼具有较好的载荷减缓效果。针对载荷沿风力机传动链的传递,考虑了柔性传动轴和齿轮啮合效应,建立了两质量块、五质量块和考虑齿轮啮合的传动链动力学模型。通过实验值和其他学者的计算结果对比,验证了传动链模型的可靠性。结合了大型风力机的气动结构耦合计算的程序,实现了整机的传动链动态响应计算。基于H∞鲁棒控制理论,进行了叶片和塔架减振控制律设计。分析了传动链系统的稳定性、动态响应以及整机的固有频率特性,并且进行了尾缘襟翼在传动链中的变形位移和载荷减缓研究。总结出三种传动链模型的稳定性特性和固有频率区别,给出了考虑传动链的整机Campell图。并且计算结果表明了尾缘襟翼在传动链载荷减缓、叶片和塔架减振中具有较好的效果。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK83

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