大型水平轴风力机叶片动力响应的研究

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1、硕士学位论文题目大型水平轴风力机叶片动力响应研究AnalysisofDynamicResponseof英文题目LargeScaleHAWTBlade姓名尹冠军学号11009022所在学院工学院导师姓名___陈严教授____专业机械设计及理论入学日期2010年9月论文答辩日期2013年5月汕头大学硕士学位论文摘要摘要风力机叶片是风力机系统的主要受载部件，随着叶片的大型化及柔性化，其非定常气动特性逐渐突显出来，叶片的变形也更为复杂，同时较大的叶片变形甚至会影响到叶片的气动特性。如何精确计算风力机叶片的动力响应，对叶片后续设计和分析具有重要的工程实

2、际意义。本文依托广东省自然科学基金“大型风力机柔性叶片的气动弹性问题研究”，以5MW水平风力机为对象，结合非定常气动理论及Timoshenko梁理论，计算了大型风力机叶片的动力响应。在气动载荷方面的计算首先采用了较为精确的片条理论，考虑了风轮主轴仰角、叶片挥舞方向的倾角和风剪切作用。并进行了叶栅效应修正、叶尖损失修正、Glauert修正，随后，在平衡尾流的基础上分别考虑了动态入流和动态失速模型，计算得到了非定常气动诱导因子。将风力机叶片视为悬臂梁，分别引入了三种Timoshenko梁模型来描述风力机叶片的变形特征，并对Timoshenko梁退

3、化为Euler-Bernoulli梁的情况作了详细的阐述，推导出了各种梁模型下的风力机叶片单元的等效刚度矩阵、等效质量矩阵以及等效节点载荷的具体形式或表达式。在风力机叶片截面坐标系中，分别计算了平衡尾流、动态入流、动态失速三种气动模型下的气动载荷。并对三种模型情况下计算的载荷进行了对比，分析了三种气动模型对气动载荷计算的影响。对所得单元等效刚度矩阵、单元等效质量矩阵以及单元载荷向量进行组集，得到最后的风力机叶片总体刚度矩阵、总体质量矩阵、总体等效载荷向量。随后，采用Rayleigh阻尼计算方法得到总体阻尼矩阵，并组建结构动力学方程，运用New

4、mark法对在不同的气动模型、结模型下所得到的动力学方程进行求解。运用计算所得的动态响应结果，分析了风力机叶片横向剪切变形和展向位移对动态响应结果的影响。考虑了叶片变形对风力机气动特性的影响，并作了简单的气动弹性分析。为了计算采用非线性结构模型所得到的非线性动力学方程，介绍了Newmark法，Newmark法结合各时间步内的位移迭代法，Newton-Raphson法，得到了一组非线性解。关键词：非定常气动，Timoshenko梁理论，结构动力响应，非线性，气动弹性I汕头大学硕士学位论文AbstractAbstractWindturbinebl

5、adeisthemainloadpartofwindturbinesystem.Withtheincreaseofscaleandflexibility,theunsteadyaerodynamiccharacteristicsofthebladearegraduallyhighlighted,andthedeformationofthebladealsogetsmorecomplex;atthesametimeenormousdeformationofthebladewillevenaffectitsaerodynamiccharacter

6、istics.Henceprecisecalculationofthedynamicresponseofwindturbineisofengineeringpracticalsignificancetobladedesignandsubsequentanalysis.ThispaperissupportedbytheprojectofGuangdongProvinceNaturalScienceFoundation,named“Researchontheaeroelasticproblemsoflargewindturbinewithflex

7、ibleblade”.Takingthe5MWwindturbineastheobject,thedynamicresponseoflargewindturbinebladeiscalculatedwithapplicationofthetheoryoftheunsteadyaerodynamicsandTimoshenkobeamtheory.Theaerodynamicloadiscalculatedbyusingthestripetheorywiththerotorspindleelevation,flapangle,windshear

8、considered.Andbladedcascadeeffectcorrection,tiplosscorrection,Glauertcorrectionare