切变风速下风力机叶片流固耦合分析.pdf

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1、第５期（总第１９８期）机械工程与自动化Ｎｏ．５２０１６年１０月ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＯｃｔ．文章编号：１６７２-６４１３（２０１６）０５-００４０-０２切变风速下风力机叶片流固耦合分析周文平，肖燕（泸州职业技术学院，四川泸州６４６００５）摘要：风力机处于复杂的自然环境中，随着叶片尺寸和柔性不断变大，气动弹性问题日益突出。将基于时间步进自由尾迹的气动载荷模型与结构动力学模型进行耦合，计算了风力机在切变风速下的气弹响应特性。计算结果表明：切变风速下，考虑流固耦合的风轮叶尖变

2、形量呈现周期性波动，且变形量随着风速的增大而增大。由于叶片变形的影响，风轮气动载荷会减小，且当风速高于额定风速时，叶片变形使得风轮载荷明显降低。研究结果对风力机的气动结构设计和控制策略的改进具有一定的参考价值。关键词：风力机；切变风速；流固耦合；气动载荷中图分类号：ＴＰ３９１.７∶ＴＫ８３文献标识码：Ａ0引言坐标系绕Xn轴旋转方位角得风轮坐标系Sr；将Sr风能是一种低品位能源，为了能够更高效地从风绕Yr轴旋转锥角得到桨叶坐标系Sp。β中吸取能量，风力发电机组正朝着大型化、适应低风速［１］区的趋势发展。风力机经常

3、运行于随机变动的自然大气环境中，会受到来流风速、风向的改变以及风切变、大气湍流等的影响，使得风轮在多数情况下处于非［２］稳态的运行环境。对于尺寸较大的风电机组，如果发生弯曲和扭转变形，就会改变桨叶所受的气动力；反之，气动力的改变又会进一步作用于桨叶等部件的几何变形。这种结构变形与气动力的相互耦合作用可能使叶片振动过大或振动失稳，甚至可能导致风力机强［３-５］烈振动下引发的故障停机。因此，建立大型风力机叶片流固耦合分析方法，研究切变风、阵风等动态来流时叶片气动载荷与结构变形之间的相互作用，对叶片的设计和性能分析、

4、提高风力机的运行可靠性非常［６］必要，具有重要的工程实用意义。为此，本文对ＮＲＥＬＷｉｎｄＰＡＣＴ１．５ＭＷ风力机图１风力机运行时的坐标系统进行研究分析，将基于时间步进自由尾迹的风力机气１．２气动模型动载荷模型与结构动力学模型进行耦合计算，分析该采用作者前期建立的自由尾迹方法进行风轮气动风力机在切变风速下的气动弹性响应特性。通过对比力计算。该方法假设绕风轮的流动为不可压、无黏、无均匀来流条件下风轮气动特性，得到风切变及叶片结旋势流，将风力机桨叶后形成的尾迹用离散涡元表示。构变形的流固叠加效应对风轮气动、结构特性

5、的影响，自由尾迹方法主要包括两个模型：对转子桨叶涡系进为风力机安全运行和叶片的优化设计提供参考。行分析的桨叶模型和对转子尾迹进行分析的尾迹模1计算模型型。详细的自由尾迹模型介绍见文献［２］。１．１坐标系统１．３动力学模型建立风力机运行时的坐标系统，如图１所示。在动力学模型基于ＮＲＥＬ的开源风力机仿真软件［７］风力机机舱的中心确定坐标系S，X轴与风轮旋转轴ＦＡＳＴ，将风力机假设为一个刚柔组合的动力系统，对齐，Z轴垂直向上，X、Y轴形成水平面；将总体坐标对风力机系统的柔性部件采用模态法进行描述，并联系S绕Y轴旋转风

6、轮倾角得到倾角坐标系Sn；将Sn合凯恩动力学方程建立系统的τ运动方程，进行风力机四川省泸州市科技计划项目（２０１４-Ｓ-５０（７／７））收稿日期：２０１６-０２-２３；修订日期：２０１６-０７-１８作者简介：周文平（１９８２-），男，重庆江津人，讲师，博士，主要研究方向：流体动力机械、计算流体力学等。２０１６年第５期周文平，等：切变风速下风力机叶片流固耦合分析・４１・变工况的动态结构特性分析。的影响，使得风轮实际承受的载荷较气动载荷小。且风力发电机组系统动力学方程矩阵形式为：当来流风速低于额定风速时，流固耦合计

7、算对风轮载・・・M（q，t）q＋f（q，q，t）＝０．（１）荷的影响较小，但当来流风速高于额定风速时，随着叶其中：M为质量矩阵；f为与系统位移和速度相关的向片变形的加大及压力分布的影响，会使风轮载荷明显・・・降低。量；q为自由度的广义坐标；q及q分别为自由度的速度和加速度；t为时间。ＦＡＳＴ软件采用对系统变量添加扰动的方式对动力学方程进行离散求解，具体的离散方法见文献［８］。１．４仿真流程耦合风力机动力学模型与自由尾迹模型，对ＦＡＳＴ开源程序进行二次开发。图２为流固耦合仿真流程图。仿真过程为：在每个时间步上双向

8、传递结构及气动数据，t时刻采用自由尾迹方法计算桨叶所受的气动力，并插值到结构上计算下一时刻的桨叶动力学响应；然后根据动力学响应结果更新叶片后拖出尾迹的几何形状和桨叶的结构变形，并计算该时刻的气动力。重复上述过程即可得到风力机的流固耦合计算结果。图２流固耦合仿真流程图2算例图３切变风速时叶尖变形采用所建立的模型对ＮＲＥＬＷｉｎｄＰＡＣＴ１．５ＭＷ风力机在剪切入流时的流固耦合特性进行了计算