考虑气动弹性的风力机叶片分析.pdf

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1、华南理工大学学报(自然科学版)第43卷第2期JournalofSouthChinaUniversityofTechnologyV0l_43No．22015年2月(NaturalScienceEdition)February2015文章编号：1000-565X(2015)02-0102-05考虑气动弹性的风力机叶片分析冰陈进李松林郭小锋孙振业(重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400044)摘要：运用修正的叶素一动量理论和有限元方法，建立了一种全新的考虑气动弹性的风力机叶片性能分析方法．运用该方法，在多种风速工况下对某8

2、50kW风力机叶片的性能进行了计算，结果表明：对于大功率风力机，在大风速大载荷工况下，气动弹性对风轮性能有明显的影响，使叶片偏离原设计值．该方法的运用对于叶片的气动设计、载荷计算和结构设计有实际指导意义．关键词：风力机；叶片性能；气动弹性；叶素一动量理论；有限元分析中图分类号：TK83doi：10．3969／j．issn．1000565X．2015．02．015风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到对风力机叶片流固耦合分析做出了贡献，都值得借世界各国的关注与重视，风力机也在近年来得到广鉴与研究．然而，上述学者在研究风力

3、机流固耦泛的应用与发展．随着风力发电机输出功率的不断合时，做了很多假设：如将叶片简化为梁单元模型，提高，风轮叶片的尺寸也越来越大．目前国内外大部并没有采用叶片最真实的内部结构’；或只考虑分的研究和已有的风力机叶片气动设计软件都是在叶片扭振变形对载荷的影响，忽略了挥舞及摆振变不考虑叶片弹性变形的前提下，通过改变叶片的翼形对载荷的影响．这些假设偏离了叶片运转中的真型、弦长和扭角沿展向的分布来设计叶片气动外形．实情况，会造成计算结果与真实情况存在较大偏差．因然而，真实叶片并不是刚性的，在实际运转中，叶片此，为了更加准确地计算叶

4、片在运转中的性能，文中提会产生弹性变形，从而造成作用在叶片上的载荷变出一种新的考虑气动弹性的风力机叶片分析方法，该方法以修正的叶素一动量理论为基础，运用有限元法化．变化的载荷与柔性叶片之间的耦合作用会影响对叶片真实结构进行流固耦合分析，综合考虑叶片扭叶片变形，如果忽略这种耦合作用将使叶片偏离原振、挥舞和摆振变形对风力机性能的影响．设计点，影响气动效率，对风力机的正常运转造成较大的影响¨J．1方法描述目前，国内外已有一些学者开展了风力机叶片流固耦合的研究工作．Gaetan等对简化的梁单元1．1风力机叶片模型叶片模型进行气动

5、结构一体化设计，设计出的叶片文中的叶片模型选用某850kW风力机叶片作在性能上有一定的提升；陈佳慧等以叶素一动量为参考叶片_l，叶片总长26．75m，叶片的相对厚度理论和盒形梁理论为基础，提出了风力机叶片静气从最大弦长处的40％沿着展向递减到叶尖处的动弹性分析方法，该方法能够对叶片气动设计与载18％．在叶根处，叶片的扭角为12。，叶尖处为0。．叶荷计算方法进行气动弹性修正；另外还有一些学者片外形如图1所示．收稿日期：2014-08-28基金项目：国家“863”计划项目(2012AA051301)；国家自然科学基金资助项目

6、(51175526)Foundationitems：SupposedbytheNationalHigh·TechR&DProgramofChina(863Program)(2012AA051301)andtheNationalNaturalScienceFoundationofChina(51175526)作者简介：陈进(1956)，男，博士，教授，主要从事可再生能源装备设计理论与方法研究．E—mail：chenjin413@cqu．edu．CH第2期陈进等：考虑气动弹性的风力机叶片分析103型风力机，其风轮转速控制曲线

7、和桨距角桨距角曲线如图4所示．该风力机的运行状态随风速变化分为3个阶段：1)低风速切人阶段：在风速小于5m／s时，风轮转速恒定，叶尖速比逐渐减小，功率系数逐渐增大到最大值；图1参考叶片外形图Fig．1Shapeofreferenceblade2)功率系数恒定阶段：当风速处于5—10m／s时，随风速的增大，为了使功率系数稳定在最大值，叶片采用两个剪切横梁的截面形式，这种构造风轮转速将逐渐增大，直到风力机达到额定功率．形式通过腹板将叶片内部分成5个部分’mJ，从左3)额定功率阶段：当风力机达到额定功率后，至右依次为前缘增强、

8、翼型前缘、主梁、翼型后缘及通过改变桨距角使风力机输出功率始终为额定功后缘增强，主梁由主腹板连接，如图2所示．率，直到风速达到切出速度．；25毒后20缘增强15噻5l0l52O25来流风速／(m·s)图2叶片截面(a)风轮转速控制曲线Fig．2Structureofbladesection叶片内部铺层由单向布、双向布和