2024中國可再生能源大會(huì)：大型風(fēng)電機(jī)組長柔葉片顫振特性及控制技術(shù)研究

2244風(fēng)力機(jī)葉片顫振風(fēng)力機(jī)單機(jī)功率增大，尺寸上升，顫振問題日益突出研究意義加強(qiáng)顫研究意義加強(qiáng)顫振風(fēng)險(xiǎn)上升葉片：揮舞+擺振+扭轉(zhuǎn)葉片：揮舞+擺振+扭轉(zhuǎn)風(fēng)輪：3葉片+風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)塔架：彎曲+扭轉(zhuǎn)o—基礎(chǔ)：海上浮臺(tái)運(yùn)動(dòng)2244風(fēng)力機(jī)葉片顫振邊界識別和顫振后響應(yīng)分析跨音失速顫振旋轉(zhuǎn)失速超音失速顫振超音非失速顫振亞音堵塞顫振···超臨界分岔系統(tǒng)：臨界點(diǎn)以上較小LCO 抵抗結(jié)構(gòu)破壞 結(jié)構(gòu)疲勞失效IEA15MW控制策略單葉片模態(tài)頻率(IEA15MW控制策略單葉片模態(tài)頻率(Hz)0.5230.6652.1244.072值額定功率葉片數(shù)3風(fēng)輪半徑m切入風(fēng)速3額定風(fēng)速切出風(fēng)速最小轉(zhuǎn)速5額定轉(zhuǎn)速7.56設(shè)計(jì)尖速比9.0(8.97)葉片阻尼：黏性阻尼模型：fdμ11μ22μ33μ44μ55μ660.002990050.002187750.000841710其中μ11μ22μ33μ44μ55μ660.002990050.002187750.000841710RotorSpeed(rpm)WindSpeed(m/s)失控工況顫振點(diǎn)延后于穩(wěn)態(tài)顫振邊界（125%wcr,300s）RotorSpeed(rpm)WindSpeed(m/s)失控工況顫振點(diǎn)延后于穩(wěn)態(tài)顫振邊界（125%wcr,300s）884400穩(wěn)態(tài)計(jì)算顫振邊界風(fēng)輪失控顫振邊界RotorSpeed-WindSpeed!!21m/s321m/s3個(gè)算例個(gè)算例超大型風(fēng)力機(jī)葉片顫振特性失控工況顫振點(diǎn)延后于穩(wěn)態(tài)顫振邊界（125%wcr）(NREL5MW:107%)→葉片尺寸增大帶來的新問題風(fēng)輪失控風(fēng)輪失控風(fēng)輪失控風(fēng)輪轉(zhuǎn)速&風(fēng)輪失控風(fēng)輪轉(zhuǎn)速&風(fēng)速RotorSpeed(rpm)TipDeflection(m)TipDeflection(deg)AeroPower(W)AeroPower(W)顫振邊界flapedgetwist穩(wěn)態(tài)計(jì)算顫振邊界穩(wěn)態(tài)計(jì)算顫振邊界×10450?503006009001200Time(s)flapedgetwistrot455200880?5RotorSpeed(rpm)TipDeflection(m)TipDeflection(deg)AeroPower(W)AeroPower(W)顫振邊界flapedgetwist穩(wěn)態(tài)計(jì)算顫振邊界穩(wěn)態(tài)計(jì)算顫振邊界×10450?503006009001200Time(s)flapedgetwistrot455200880?5?544?2?10?10?15?1500?4穩(wěn)態(tài)計(jì)算 顫振邊界風(fēng)輪失控顫振邊界 3006009003006009003006009003006009001200Time(s)Time(s)Time(s)0~500s：風(fēng)速固定，轉(zhuǎn)速增加500~800s：風(fēng)速、轉(zhuǎn)速均上升800~1150s：風(fēng)速、轉(zhuǎn)速均上升氣動(dòng)力主要對風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)做正功，波動(dòng)↑;平均功率先↑后↓;風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)氣動(dòng)功率為主，波動(dòng)↑平均功率↓;風(fēng)輪失控顫振邊界風(fēng)輪失控顫振邊界穩(wěn)態(tài)計(jì)算顫振邊界風(fēng)輪失控風(fēng)輪失控顫振邊界穩(wěn)態(tài)計(jì)算顫振邊界弱)強(qiáng))風(fēng)輪失控顫振邊界穩(wěn)態(tài)計(jì)算顫振邊界揮舞(flap)在轉(zhuǎn)速失穩(wěn)之前，葉片氣彈響應(yīng)已經(jīng)開始失穩(wěn)?1150s在轉(zhuǎn)速失穩(wěn)之前，葉片氣彈響應(yīng)已經(jīng)開始失穩(wěn)?800s前后，振動(dòng)信號頻譜中開始出現(xiàn)1階揮舞頻率并逐漸增強(qiáng)——揮舞振動(dòng)氣動(dòng)功↑;彎扭(揮舞-扭轉(zhuǎn))耦合：1stFlap頻率在揮舞(flap)和扭轉(zhuǎn)(twist)頻譜中較強(qiáng)，在擺振頻譜擺振(風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)方向)頻譜始終以風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻為主導(dǎo)；2244超大型風(fēng)力機(jī)葉片顫振特性?風(fēng)力機(jī)葉片顫振能量圖譜(轉(zhuǎn)速-風(fēng)速-總? 葉片顫振裕度大幅下降（50%→7%） 葉片顫振裕度大幅下降（50%→7%）-50.5-51.54.55fQ-50.5-51.54.55fQTwist:扭轉(zhuǎn)Edge:擺振Flap:揮舞54 2 0-1-2twistedgeflaptwistedgeflap050100150200250300Time(s)flaptwist ↓flaptwist ↓Frequency(HZ)葉片的大尺寸+柔性影響：振動(dòng)以擺振方向?yàn)橹?，幅值約2m。葉片受重力作用為主：振動(dòng)以一倍風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻(1RS)為主導(dǎo)。Flap:揮舞氣動(dòng)正功!氣動(dòng)正功!氣動(dòng)正功重力激振下較小氣動(dòng)正功通過結(jié)構(gòu)阻尼耗散Flap:揮舞氣動(dòng)正功!氣動(dòng)正功!氣動(dòng)正功Edge:擺振Twist:扭轉(zhuǎn)Twist:扭轉(zhuǎn)//flaptwist (振幅0.8°)5f超大型風(fēng)力機(jī)葉片顫振特性5fFlap:揮舞Edge:擺振Twist:扭轉(zhuǎn) \ \flapflaptwisttwistedgeflap550100150200250300051015Time(s)Frequency(HZ)?擺振振幅2.8m(225%)?揮舞振幅0.8m(200%)?扭轉(zhuǎn)振幅6.5°(1625%)2階擺振(2E)、1階扭轉(zhuǎn)(1T)頻率主導(dǎo)超大型風(fēng)力機(jī)葉片顫振特性45Flap:揮舞Edge:擺振Twist:扭轉(zhuǎn)flaptwist4320超大型風(fēng)力機(jī)葉片顫振特性45Flap:揮舞Edge:擺振Twist:扭轉(zhuǎn)flaptwist4320-l-2氣動(dòng)正/負(fù)功現(xiàn)氣動(dòng)負(fù)功區(qū)域做功正負(fù)做功正負(fù)基本同步基本同步氣動(dòng)負(fù)功區(qū)域揮舞：正功為主擺振：正功為主扭轉(zhuǎn)：負(fù)功為主揮舞：正功為主擺振：正功為主扭轉(zhuǎn)：負(fù)功為主特征截面1(R=113m)?揮舞交替做正負(fù)功?擺振以正功為主?扭轉(zhuǎn)以負(fù)功為主?揮舞以正功為主以正功為主?扭轉(zhuǎn)以負(fù)功為主Flap:揮舞Edge:擺振Twist:扭轉(zhuǎn) ?擺振振幅7.5m(600%)?揮舞振幅6.6m(1600%)?扭轉(zhuǎn)振幅11.1°(5600%)1階揮舞(1F)頻率主導(dǎo)超大型風(fēng)力機(jī)葉片顫振特性Flap:揮舞5Twist:扭轉(zhuǎn)Edge5Twist:扭轉(zhuǎn)3.532.523.532.52flaptwist→從葉根向葉尖逐漸回到氣動(dòng)正功的氣動(dòng)負(fù)功區(qū)域，并影響至葉中段spanLOC(m)特征截面1(R=110m)?揮舞以正功為主?擺振以負(fù)功為主?扭轉(zhuǎn)以正功為主揮舞：正功為主擺振：負(fù)功為主揮舞：正功為主擺振：負(fù)功為主2-0.08-0.09-0.11-0.12扭轉(zhuǎn)：正功為主2-0.08-0.09-0.11-0.12扭轉(zhuǎn)：正功為主5Dede(m)a(deg)101520255Dede(m)a(deg)?揮舞交替做正負(fù)功?擺振以正功為主?扭轉(zhuǎn)以負(fù)功為主2.22-0.152.22-0.15-4-202Q(deg)Dedgc(m)-4-202Q(deg)Dedgc(m)Flap:揮舞Edge:擺振Twist:扭轉(zhuǎn) 2階揮舞(2F)頻率主導(dǎo)?擺振振幅1.7m(125%)?揮舞振幅3.1m(800%)?扭轉(zhuǎn)振幅15.7°(4000%)超大型風(fēng)力機(jī)葉片顫振特性Flap:揮舞Edge:擺振54flaptwistTwist:54flaptwist3322現(xiàn)氣動(dòng)正功區(qū)域spanLOC(m)波動(dòng)頻率分別為葉中揮舞：正功為主擺振：正負(fù)交替扭轉(zhuǎn)：負(fù)功為主揮舞：正功為主擺振：正負(fù)交替扭轉(zhuǎn)：負(fù)功為主-0.05特征截面1(R=113m)-0.05?揮舞以正功為主-0.150Dedge(m)20Q(deg)2-0.150Dedge(m)20Q(deg)246Dflap(m)?扭轉(zhuǎn)以負(fù)功為主CC-0.05?揮舞以負(fù)功為主-0.05-0.05?擺振交替做正負(fù)功-0.05-0.15?扭轉(zhuǎn)以負(fù)功為主-0.15a(deg)Dede(m)02a(deg)Dede(m)超大型風(fēng)力機(jī)葉片顫振特性低轉(zhuǎn)速低風(fēng)速低轉(zhuǎn)速高風(fēng)速超大型風(fēng)力機(jī)葉片顫振特性?通過風(fēng)機(jī)低速軸扭矩的頻譜主頻識別顫振：信號主頻與葉尖振動(dòng)信號一致低于運(yùn)行最低轉(zhuǎn)速，暫不考慮203.532.521510203.532.521510546810Rotorspeed?各工況下主導(dǎo)頻率、各自由度振動(dòng)耦合情況不同；?各自由度顫振能量分布不同；?葉片表面氣動(dòng)功分布情況不同，關(guān)鍵截面改變；?各區(qū)域內(nèi)顫振特征一致。工況低轉(zhuǎn)速低風(fēng)速低轉(zhuǎn)速高風(fēng)速中等轉(zhuǎn)速高風(fēng)速高轉(zhuǎn)速低風(fēng)速擺振+揮舞+扭轉(zhuǎn)小中大慢中快擺振+揮舞：氣動(dòng)正功扭轉(zhuǎn)：氣動(dòng)負(fù)功擺振：葉尖負(fù)功+葉中正功揮舞：葉尖正功+葉中負(fù)功扭轉(zhuǎn)：氣動(dòng)負(fù)功45%,90%葉展處正功22445顫振邊界(變槳：8顫振邊界(變槳：8°)顫振邊界(變槳：4°)顫振邊界(變槳：0°)變槳8°以上基本消除中低轉(zhuǎn)速顫振區(qū)域IEA15MW控制策略?槳距角增大：顫振裕度增大，顫振邊界遠(yuǎn)離運(yùn)行曲線；氣彈失穩(wěn)區(qū)域總體向高風(fēng)速方向縮小。?中等轉(zhuǎn)速高風(fēng)速氣彈失穩(wěn)區(qū)域減小程度最高；其次為低轉(zhuǎn)速高風(fēng)速氣彈失穩(wěn)區(qū)域。46810124681012Rotorspeed(rpm)變槳：2°變槳：4°變槳：6°變槳：8°超大型風(fēng)力機(jī)葉片顫振控制IEA15MW變槳速率最大變槳角變槳時(shí)間低轉(zhuǎn)速高風(fēng)速 低轉(zhuǎn)速高風(fēng)速 flap twist flap050100150200250300Time(s)0050100150200250300Time(s) twist flap變槳完成至振動(dòng)穩(wěn)定： twist flap flap?轉(zhuǎn)速上升，變槳完成至振動(dòng)穩(wěn)定?顫振早期階段盡早進(jìn)行變槳，可TimeTime(s)Time(s)變槳完成至振動(dòng)穩(wěn)定：≈2s變槳完成至振動(dòng)穩(wěn)定：≈10s變槳速率變槳速率最大變槳角變槳時(shí)間變槳速率最大變槳角變槳時(shí)間1515151510501050 twist flap10501050 twist cdge flap050100150200250300050100150200250300050