大型風(fēng)力機(jī)在偏航狀態(tài)下全機(jī)氣動(dòng)彈性響應(yīng)計(jì)算

劉蒙，王同光，曹九發(fā)大型風(fēng)力機(jī)在偏航狀態(tài)下的全機(jī)氣動(dòng)彈性響應(yīng)計(jì)算南京航空航天大學(xué)江蘇省風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2013年8月主要內(nèi)容非定常氣動(dòng)力載荷的計(jì)算其他載荷的計(jì)算全機(jī)有限元模型的建立風(fēng)力機(jī)全機(jī)動(dòng)力學(xué)方程的建立算例分析結(jié)論非定常氣動(dòng)力載荷

風(fēng)力機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，由于大氣紊流、風(fēng)剪切、風(fēng)向的變化（偏航）和塔影效應(yīng)等影響，會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)失速現(xiàn)象。這種情況下就需要采用動(dòng)態(tài)失速模型、偏航模型等進(jìn)行一系列修正。

葉素動(dòng)量理論Leishman-Beddoes動(dòng)態(tài)失速修正偏航修正非定常氣動(dòng)力載荷動(dòng)態(tài)失速修正

根據(jù)Leishman-Beddoes模型，可以將動(dòng)態(tài)翼型氣動(dòng)特性的模擬分為三個(gè)部分：第一，非定常附著流的模擬。這里主要是通過階躍響應(yīng)的疊加來模擬翼型的附著流動(dòng)。第二，非定常分離流的模擬。根據(jù)Kirchhoff流動(dòng)理論將分離點(diǎn)與翼型氣動(dòng)力聯(lián)系起來，從而模擬分離時(shí)氣動(dòng)力的非線性特性。在動(dòng)態(tài)條件下，引入一階滯后來模擬翼型分離時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。第三，動(dòng)態(tài)失速的模擬。給出前緣失速的準(zhǔn)則，計(jì)算動(dòng)態(tài)失速渦誘導(dǎo)產(chǎn)生的氣動(dòng)力和力矩。偏航模型偏航的風(fēng)輪示意圖：風(fēng)輪平面采用葛勞渥特提出的偏航模型對誘導(dǎo)速度進(jìn)行修正，公式如下：

如果風(fēng)輪已經(jīng)偏航，右圖所示，則誘導(dǎo)速度將會(huì)有一個(gè)方位角的變化，因此，當(dāng)葉片指向上游比同一個(gè)葉片轉(zhuǎn)了半圈后指向下游時(shí)的誘導(dǎo)速度要小些。有限元模型

使用Patran軟件，對該大型變槳型風(fēng)力機(jī)建立有限元模型。如下圖所示：模態(tài)振型固有頻率（Hz）塔架一階前后0.42430塔架一階左右0.42593風(fēng)輪揮舞一階反對稱0.97903風(fēng)輪揮舞一階反對稱1.02611風(fēng)輪揮舞一階對稱1.06668風(fēng)輪擺振一階對稱1.37361風(fēng)輪擺振一階反對稱1.49514風(fēng)輪擺振一階反對稱1.52298風(fēng)輪揮舞二階反對稱2.35280風(fēng)輪揮舞二階反對稱2.53225風(fēng)輪揮舞二階對稱2.73579風(fēng)輪擺振二階對稱2.74569風(fēng)輪擺振二階反對稱2.75452風(fēng)輪擺振二階反對稱2.81889風(fēng)力機(jī)全機(jī)動(dòng)力學(xué)方程的建立

通過模態(tài)綜合法建立風(fēng)輪與塔架耦合的動(dòng)力學(xué)方程，推導(dǎo)出的葉片動(dòng)力學(xué)方程為：塔架的動(dòng)力學(xué)方程為：采用四步Runge-Kutta方法求解運(yùn)動(dòng)方程組。塔架加速度塔架速度葉片加速度葉片速度計(jì)算流程圖YN輸出計(jì)算結(jié)果計(jì)算廣義力讀入模態(tài)數(shù)據(jù)建立風(fēng)輪塔架耦合動(dòng)力學(xué)方程是否達(dá)到時(shí)間更新葉片速度，將結(jié)構(gòu)響應(yīng)引入氣動(dòng)計(jì)算求解耦合動(dòng)力學(xué)方程初始化誘導(dǎo)速度，葉片速度計(jì)算入流角動(dòng)態(tài)失速修正Cn，Ct查表插值得到Cl，Cd計(jì)算升力阻力BEM計(jì)算誘導(dǎo)速度，入流角動(dòng)態(tài)入流修正誘導(dǎo)速度偏航模型修正讀入數(shù)據(jù)非定常氣動(dòng)力計(jì)算動(dòng)力學(xué)方程求解算例分析

算例選用的大型風(fēng)力機(jī)的主要參數(shù)為：額定功率1.5MW，風(fēng)輪半徑40.3m，塔架高度63m，風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速為17.2r/min。對該風(fēng)力機(jī)模型在11m/s風(fēng)速，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速17.2r/min，葉片槳距角4.36°，處于不同偏航狀態(tài)下的全機(jī)氣彈響應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算。偏航20°時(shí)葉根剪力算例分析偏航20°時(shí)塔頂位移響應(yīng)不同偏航角下葉尖揮舞方向位移響應(yīng)算例分析偏航20°時(shí)揮舞方向葉尖位移響應(yīng)偏航20°時(shí)擺振方向葉尖位移響應(yīng)結(jié)論通過計(jì)算分析不同偏航角和塔架柔性對葉片動(dòng)態(tài)特性的影響，得出如下結(jié)論：1.偏航角的增大會(huì)減小葉尖的位移響應(yīng)的均值，但會(huì)使位移

響應(yīng)的振幅變大；2.