大型風力機在偏航狀態(tài)下全機氣動彈性響應計算

劉蒙，王同光，曹九發(fā)大型風力機在偏航狀態(tài)下的全機氣動彈性響應計算南京航空航天大學江蘇省風力機設計高技術研究重點實驗室2013年8月主要內容非定常氣動力載荷的計算其他載荷的計算全機有限元模型的建立風力機全機動力學方程的建立算例分析結論非定常氣動力載荷

風力機在實際運行中，由于大氣紊流、風剪切、風向的變化（偏航）和塔影效應等影響，會出現動態(tài)失速現象。這種情況下就需要采用動態(tài)失速模型、偏航模型等進行一系列修正。

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

根據Leishman-Beddoes模型，可以將動態(tài)翼型氣動特性的模擬分為三個部分：第一，非定常附著流的模擬。這里主要是通過階躍響應的疊加來模擬翼型的附著流動。第二，非定常分離流的模擬。根據Kirchhoff流動理論將分離點與翼型氣動力聯系起來，從而模擬分離時氣動力的非線性特性。在動態(tài)條件下，引入一階滯后來模擬翼型分離時的動態(tài)響應。第三，動態(tài)失速的模擬。給出前緣失速的準則，計算動態(tài)失速渦誘導產生的氣動力和力矩。偏航模型偏航的風輪示意圖：風輪平面采用葛勞渥特提出的偏航模型對誘導速度進行修正，公式如下：

如果風輪已經偏航，右圖所示，則誘導速度將會有一個方位角的變化，因此，當葉片指向上游比同一個葉片轉了半圈后指向下游時的誘導速度要小些。有限元模型

使用Patran軟件，對該大型變槳型風力機建立有限元模型。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風輪揮舞一階反對稱0.97903風輪揮舞一階反對稱1.02611風輪揮舞一階對稱1.06668風輪擺振一階對稱1.37361風輪擺振一階反對稱1.49514風輪擺振一階反對稱1.52298風輪揮舞二階反對稱2.35280風輪揮舞二階反對稱2.53225風輪揮舞二階對稱2.73579風輪擺振二階對稱2.74569風輪擺振二階反對稱2.75452風輪擺振二階反對稱2.81889風力機全機動力學方程的建立

通過模態(tài)綜合法建立風輪與塔架耦合的動力學方程，推導出的葉片動力學方程為：塔架的動力學方程為：采用四步Runge-Kutta方法求解運動方程組。塔架加速度塔架速度葉片加速度葉片速度計算流程圖YN輸出計算結果計算廣義力讀入模態(tài)數據建立風輪塔架耦合動力學方程是否達到時間更新葉片速度，將結構響應引入氣動計算求解耦合動力學方程初始化誘導速度，葉片速度計算入流角動態(tài)失速修正Cn，Ct查表插值得到Cl，Cd計算升力阻力BEM計算誘導速度，入流角動態(tài)入流修正誘導速度偏航模型修正讀入數據非定常氣動力計算動力學方程求解算例分析

算例選用的大型風力機的主要參數為：額定功率1.5MW，風輪半徑40.3m，塔架高度63m，風輪額定轉速為17.2r/min。對該風力機模型在11m/s風速，風輪轉速17.2r/min，葉片槳距角4.36°，處于不同偏航狀態(tài)下的全機氣彈響應進行了計算。偏航20°時葉根剪力算例分析偏航20°時塔頂位移響應不同偏航角下葉尖揮舞方向位移響應算例分析偏航20°時揮舞方向葉尖位移響應偏航20°時擺振方向葉尖位移響應結論通過計算分析不同偏航角和塔架柔性對葉片動態(tài)特性的影響，得出如下結論：1.偏航角的增大會減小葉尖的位移響應的均值，但會使位移

響應的振幅變大；2.