基于升力线理论的风力机气动性能分析方法

为了提高风力机气动载荷的三维计算能力与计算稳定性,采用螺旋尾涡升力线模型来研究叶片气动性能参数.通过对附着涡分布、控制点的诱导速度以及迭代法求解算法等问题进行研究和分析,计算了风力机的各项气动性能参数,并建立了基于螺旋尾涡升力线模型的水平轴风力机风轮气动性能数值分析算法.在FORTRAN平台中创建了分析程序,计算了风力机的气动载荷并与传统叶素动量理论进行了对比.结果表明,所开发的数值计算模型具有较高的计算能力与计算稳定性.

极端运行阵风下后掠型风力机叶片的气动特性研究

基于多体系统动力学和升力线气动模型,考虑柔性后掠叶片动态失速和气动弹性耦合问题,建立了风力机气弹耦合模型,研究极端运行阵风及阵风作用时间对某5 MW后掠风力机叶片气动性能的影响。结果表明:极端运行阵风对叶根挥舞力矩、功率、攻角、升力系数和轴向推力等气动特性具有较大影响。研究工作对风力机的结构优化设计和疲劳寿命设计具有重要作用。

风力机叶片后掠结构模态与颤振特性的影响分析

采用特征值方法对后掠叶片的结构特性和颤振特性进行研究。针对大型后掠叶片的结构特点和气动特性,结合"超级单元"法与升力线理论建立叶片的气弹模型,并基于多体系统递归建模方法和变分原理,对叶片的气弹模型作线性化处理,构建叶片的气弹状态方程。为准确描述叶片的气动参数,在线性化的过程中引入B-L动态失速模型。以某5 MW风力机直叶片为原型,设计2种后掠量的后掠叶片。计算叶片在各工况下的稳态变形,揭示叶片后掠对其弯扭耦合变形的影响;分析叶片刚性转动和稳态变形对其结构频率的影响;结合线性化的气动模型,计算后掠叶片的气弹频率和气弹阻尼比,分析叶片后掠对其颤振特性的影响。分析结果表明,叶片后掠会减小叶片在极端风况下的弯曲变形,同时降低叶片发生气弹失稳的临界速度。

后掠风力机叶片非定常气弹耦合模型与响应分析

后掠叶片外展段后掠,弹性轴与扭转轴分离,致使叶片非线性变形显著,气流沿叶片展向流动和气弹耦合特性增强。为精确分析后掠叶片的结构与气动之间的耦合关系,采用螺旋尾涡升力线模型结合修正的B-L动态失速模型,并计及积叠线瞬时变形对诱导速度的影响,计算非定常气动载荷;叶片结构部分通过超级单元将后掠叶片离散成多体系统,借鉴成熟的多体递归建模技术,实现转动叶片的高效组装与数值求解。通过模拟NREL 5 MW直叶片的稳态响应,验证计算模型的有效性与精度;然后分析5 MW后掠叶片,在变桨距和不变桨距情况下的非定常气动响应。数值仿真结果表明,该模型能有效地模拟后掠叶片非线性变形和非定常气动特性,能为新型降载增效后掠叶片的气动性能、疲劳载荷谱分析与结构优化设计提供有效数值分析方法。

大型风力机柔性叶片非线性气弹模态分析

针对风力机尺寸增大,叶片刚柔耦合和气弹耦合特性增强,研究大型风力机转动柔性叶片弯曲与扭转耦合变形下的气弹模态及其稳定性。为准确描述柔性叶片的非线性变形特性,采用"超级单元"将柔性叶片离散成若干个刚体,并由运动副与力元连接构成多体系统,而后通过牛顿-欧拉方程建立叶片非线性动力学方程;气动模型则采用叶素动量理论结合修正的B-L(Beddoes-Leishman,B-L)动态失速模型,计算非定常气动载荷;然后基于变分原理,线性化叶片结构与气动载荷动力学方程,构建转动叶片的气弹线性化状态方程。最后以NREL 5 MW叶片为研究对象,在确定尖速比下,分析大型柔性叶片转动条件下的气弹复模态,计算叶片气弹频率与气弹阻尼比,分析叶片气动阻尼对颤振的影响,探究大型叶片颤振失稳机理。