考慮彎扭耦合特性的風(fēng)力機(jī)葉片動力學(xué)分析

考慮彎扭耦合特性的風(fēng)力機(jī)葉片動力學(xué)分析

0預(yù)彎幅度對-8mw機(jī)組葉片耦合的影響過去幾十年，全球風(fēng)力發(fā)電能力的指數(shù)性迅速增加。這是因?yàn)槊磕甓紩霈F(xiàn)大量的風(fēng)場，單個(gè)風(fēng)裝置的輸出顯著增加。目前在海上風(fēng)電場6-8MW機(jī)組已被安裝試運(yùn)營,其最大葉片長度已超過80m,葉片尺寸的增加和輕量化設(shè)計(jì),使得彎曲與扭轉(zhuǎn)耦合效應(yīng)更為明顯同時(shí)葉片為細(xì)長結(jié)構(gòu),其前幾階振動呈現(xiàn)梁結(jié)構(gòu)特性,采用更為復(fù)雜的體單元或殼單元進(jìn)行有限元建模,對葉片動態(tài)響應(yīng)的計(jì)算精度并無明顯提高本文首先采用VABS方法計(jì)算了在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)發(fā)生彎曲的葉片,其各截面的慣性、剛度以及在不同方向上的耦合關(guān)系。并結(jié)合空間一維歐拉-伯努利梁模型,分析了不同的預(yù)彎幅度對葉片彎扭耦合情況的影響。同時(shí),采用非定常葉素動量理論1方法描述1.1截面積分描述針對復(fù)合材料梁結(jié)構(gòu)的截面特性計(jì)算,各方法中VABS方法不存在其他方法所提出的假設(shè)條件,在數(shù)學(xué)理論上最為嚴(yán)謹(jǐn)并且具有很好的通用性。VABS方法以包括材料、幾何等所有細(xì)節(jié)的有限元網(wǎng)格形式對截面進(jìn)行描述,能夠得到精確的截面特性,同時(shí)由梁模型的結(jié)果能夠計(jì)算出截面任意點(diǎn)的位移、應(yīng)變和應(yīng)力情況。為分析一個(gè)復(fù)合材料梁結(jié)構(gòu),需要指定一個(gè)參考線l和基于此的正交坐標(biāo)系b當(dāng)梁結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時(shí),坐標(biāo)系b式中R為參考線上點(diǎn)在變形后的位置向量,w式(2)中,由于考慮了截面翹曲引進(jìn)了4次冗余,需要在位移邊界條件上給出4個(gè)合適的約束。式中〈〈·〉〉=0表示對整個(gè)截面進(jìn)行積分?；趯πD(zhuǎn)張量的分解概念,小轉(zhuǎn)動的柯西應(yīng)變分量可表示為:式中F歐拉-伯努利梁模型,忽略了截面的剪切變形,但能夠處理拉伸、扭轉(zhuǎn)和彎曲方向的應(yīng)變能。式中γ1.2弱化風(fēng)輪的復(fù)配葉素動量理論(BEM)是風(fēng)力機(jī)非定常氣動載荷計(jì)算的常用方法,在精確的翼型數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,采用一些必要的修正,BEM方法能夠得到較好的計(jì)算結(jié)果。本文采用該方法,并考慮了Prandtl葉尖損失修正式中V從整體考慮,風(fēng)輪的作用像一個(gè)圓盤,空氣流過后產(chǎn)生不連續(xù)的壓力降。該壓力降所產(chǎn)生的推力導(dǎo)致一個(gè)垂直于風(fēng)輪平面的誘導(dǎo)速度W式中,B為葉片數(shù),L為由翼型數(shù)據(jù)得到的升力,ue788為入流角,ρ為空氣密度,r為截面在葉片的徑向位置,V1.3模式和計(jì)算公式根據(jù)勢能理論,考慮梁截面的全部耦合項(xiàng),推導(dǎo)得到了三維空間兩節(jié)點(diǎn)梁模型的質(zhì)量和剛度矩陣。并對風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元離散,按離散拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建其質(zhì)量矩陣M,剛度矩陣K,阻尼矩陣C采用比例阻尼得到。葉片動力學(xué)方程可寫為式中右端項(xiàng)F表示由非定常氣動載荷、重力載荷和離心載荷構(gòu)成的載荷向量。為了過濾式(11)中的高頻項(xiàng),提高算法的收斂效果,采用了Newmark隱式積分算法。從時(shí)間t到t+dt,NewMark算法采用了下列假設(shè)。式中α和δ為控制精度和穩(wěn)定性的參數(shù)。由式(12)和(13),在t+dt時(shí)刻的加速度可表示為風(fēng)力機(jī)葉片氣動彈性響應(yīng)計(jì)算的詳細(xì)流程如圖3所示。2額定功率測定采用了一變速變槳型風(fēng)力機(jī)作為計(jì)算模型,其葉片長度為40.5m,在風(fēng)速10.4m/s、轉(zhuǎn)速17.2r/min時(shí),其達(dá)到1.5MW額定功率。在此模型基礎(chǔ)上,分別將葉片的葉尖前掠1.5m、后掠1.5m和后掠3.0m,其它截面在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的彎曲位移按葉片自身揮舞方向的預(yù)彎大小等比例縮放(圖4)。2.1羽毛截面特性圖5給出了采用VABS方法計(jì)算葉片前掠(D2.2預(yù)彎對動力學(xué)方向和預(yù)彎件下葉片的影響本文針對旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的彎曲問題,計(jì)算分析了不同的彎曲幅度對葉片固有頻率和振型的影響。圖6給出了不同彎曲幅度下葉片的前兩階固有頻率。可以看到,不同彎曲幅度得到的固有頻率幾乎完全相同,相對誤差在0.2%以內(nèi)。其原因是在對風(fēng)力機(jī)葉片這樣細(xì)長梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析時(shí),揮舞和擺振單一方向的慣性、剛度對前幾階模態(tài)起主要作用。從2.1節(jié)的計(jì)算結(jié)果可以看出,旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)不同的彎曲幅度對揮舞、擺振方向的慣性影響較小,這使得葉片的固有頻率幾乎完全相同。但是對于不同彎曲葉片,其在空間的三維模型發(fā)生了改變,各耦合項(xiàng)在單元向全局坐標(biāo)系變換時(shí)發(fā)生較為明顯的改變,圖7給出了矩陣按質(zhì)量歸一化后前兩階振型在扭轉(zhuǎn)方向分量的對比,單位為弧度。與固有頻率以及主方向振型變化都很小不同,前掠或后掠引起的彎扭耦合效應(yīng)使得葉片前幾階模態(tài)在扭轉(zhuǎn)方向的分量存在非常大的差異。葉片后掠增強(qiáng)的彎扭耦合效應(yīng),將使葉片向順槳方向產(chǎn)生更大的扭轉(zhuǎn)變形。同時(shí)從圖7中可以看出,模態(tài)在扭轉(zhuǎn)方向的分量與彎曲幅度幾乎呈現(xiàn)線性關(guān)系。葉片前掠或后掠增強(qiáng)了彎扭耦合效應(yīng),其產(chǎn)生的順槳或逆槳方向的扭轉(zhuǎn)將直接影響機(jī)組的氣動功率,圖8給出了在相同變槳變速控制策略下機(jī)組的氣動功率情況。圖中棱型點(diǎn)為軟件Bladed計(jì)算結(jié)果、虛線為不考慮彎扭耦合作用的程序計(jì)算值?？梢钥闯鲈谙嗤?jì)算狀態(tài)下,程序與Bladed具有非常好的吻合度,驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)、氣動等模型的準(zhǔn)確性。圖中D2.3極端陣風(fēng)下葉片載荷的變化根據(jù)風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)GL2003版,選取額定風(fēng)速為11.4m/s時(shí)的極端陣風(fēng)對葉片進(jìn)行氣彈仿真分析。模擬時(shí)間取60s,陣風(fēng)開始時(shí)間為第20s,周期為10.5s,極端運(yùn)行陣風(fēng)工況中風(fēng)速隨時(shí)間的變化曲線如圖9所示。圖10和圖11給出了各葉片在極端陣風(fēng)中葉根載荷和葉尖位移變化情況,針對各葉片,同樣采用了相同的變速變槳策略。圖中首先可以看出葉片的后掠會使葉根載荷以及葉尖位移減小,這與2.2節(jié)中的結(jié)果相同。其次,從圖10中還可以看到在陣風(fēng)脈動中,后掠葉片的載荷幅值變化相對較小。表1給出了前掠或后掠時(shí),在陣風(fēng)下載荷的最大值與穩(wěn)態(tài)風(fēng)時(shí)平均值相差的幅值,以及與原葉片相差幅值的對比情況。在后掠3m時(shí),葉根揮舞方向剪切載荷波動幅值相對于原葉片下降6.06%,而擺振方向彎矩下降了9.27%,可以看到后掠葉片可以有效降低風(fēng)力機(jī)在極端陣風(fēng)情況下的載荷波動情況。3內(nèi)彎曲對葉片振動的影響本文研究了旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的彎曲對風(fēng)力機(jī)葉片的動力學(xué)性能以及在極端陣風(fēng)狀況下對氣彈響應(yīng)的影響,得到如下結(jié)論:1)葉片旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)彎曲引起的曲率較小,對葉片截面特性的影響相對較小,僅對揮舞-擺振方向的耦合剛度具有較為明顯