基于气弹试验15MW超长柔性叶片颤振临界风速预测的叶根反力法

颤振是风力机叶片超大化发展必须解决的首要难题,气弹模型测振风洞试验是其最有效的预测方法之一,但传统方法无法精确解决模型相似比和测量精度的难题。本文提出一种基于主梁刚度等效原则的超长柔性叶片气动/刚度映射一体化三维完全气弹模型设计方法,采用高速摄像技术和高频六分量天平进行全风向角同步测振和测力风洞试验;系统研究了NREL‑15 MW超长柔性叶片的非线性动态响应频谱特性,对比分析了基于叶尖位移与叶根反力的风力机叶片颤振性能和临界失稳状态,发现了采用叶根反力来预测颤振性能的可行性,提出了超长柔性叶片颤振失稳预测的叶根反力法。研究表明:本文提出的气弹模型设计和实验方法能精确有效地模拟风力机叶片动力性能与颤振行为,试验发现超长柔性叶片在桨距角为93°~96°和284°~287°区间内发生颤振,颤振区间内颤振临界风速随桨距角的增大呈现先减小后增大的趋势,在桨距角为94°时达到最小,其风洞临界风速为5.4 m/s;叶根反力与叶尖位移存在一致发散性和强相关性,提出的叶根反力颤振指标δ≥2%时,风力机叶片进入颤振临界状态。

风力机叶片压电抑振效应与能量耗散机制研究

压电智能叶片是随着风力机向大型化发展而被提出的自适应减振概念叶片,本文探索了叶片压电抑振效应和能量耗散机制,提出了适用于变截面三维叶片的等效梁截面气弹模型设计方法,并基于同步测振测力气弹风洞试验对比研究了15 MW风力机叶片压电抑振效应;再基于二次开发的机电耦合叶片动力学模型,分析了机电气弹耦合模态的转速演变规律与能量分布形式,揭示了压电叶片的能量耗散机制。研究表明:提出的气弹风洞试验方法可有效反映压电叶片风振抑制效果;压电材料可缩小风力机叶片的敏感风向角区间,提高大幅锁频振动临界风速,延长气弹失稳的能量积累时间;压电材料导致叶片风振能量在模态空间均分转移,削弱了负阻尼模态的能量集聚,增强了正阻尼模态的能量耗散。

基于风洞试验15 MW风力机叶片颤振后形态与能量图谱研究

现有风力机叶片颤振分析大多关注颤振临界状态预测,忽略了非线性更为显著的颤振后形态和能量耗散。本文基于变分渐进梁截面法设计了新型超长柔性叶片气动-刚度-质量映射一体化三维弹性模型,采用高速摄像技术和高频六分量天平进行了同步测振、测力风洞试验,分析了风力机叶片颤振敏感风向区间与临界风速组合规律,最后基于叶尖风振响应、气动阻尼和能量,系统研究了风振敏感工况风振响应下风力机叶片能量演变规律和颤振临界风速后的形态特性,揭示了风力机叶片颤振后能量耗散机制。研究表明:提出的风力机叶片弹性模型设计和试验方法能有效模拟结构动力性能与颤振行为;风力机叶片的桨距角93°~96°和284°~286°区间属于风振敏感区间,在该区间内超过临界风速即可发生大幅锁频振动;存在能量积累突变界线,超过该界线对应风速后的能量积累尤为显著,表现出风致振动能量随时间呈现显著的非平稳特性;颤振后气动负阻尼是结构系统发散的主要原因。