大型风力机在偏航状态下全机气动弹性响应计算

刘蒙，王同光，曹九发大型风力机在偏航状态下的全机气动弹性响应计算南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室2013年8月主要内容非定常气动力载荷的计算其他载荷的计算全机有限元模型的建立风力机全机动力学方程的建立算例分析结论非定常气动力载荷

风力机在实际运行中，由于大气紊流、风剪切、风向的变化（偏航）和塔影效应等影响，会出现动态失速现象。这种情况下就需要采用动态失速模型、偏航模型等进行一系列修正。

叶素动量理论Leishman-Beddoes动态失速修正偏航修正非定常气动力载荷动态失速修正

根据Leishman-Beddoes模型，可以将动态翼型气动特性的模拟分为三个部分：第一，非定常附着流的模拟。这里主要是通过阶跃响应的叠加来模拟翼型的附着流动。第二，非定常分离流的模拟。根据Kirchhoff流动理论将分离点与翼型气动力联系起来，从而模拟分离时气动力的非线性特性。在动态条件下，引入一阶滞后来模拟翼型分离时的动态响应。第三，动态失速的模拟。给出前缘失速的准则，计算动态失速涡诱导产生的气动力和力矩。偏航模型偏航的风轮示意图：风轮平面采用葛劳渥特提出的偏航模型对诱导速度进行修正，公式如下：

如果风轮已经偏航，右图所示，则诱导速度将会有一个方位角的变化，因此，当叶片指向上游比同一个叶片转了半圈后指向下游时的诱导速度要小些。有限元模型

使用Patran软件，对该大型变桨型风力机建立有限元模型。如下图所示：模态振型固有频率（Hz）塔架一阶前后0.42430塔架一阶左右0.42593风轮挥舞一阶反对称0.97903风轮挥舞一阶反对称1.02611风轮挥舞一阶对称1.06668风轮摆振一阶对称1.37361风轮摆振一阶反对称1.49514风轮摆振一阶反对称1.52298风轮挥舞二阶反对称2.35280风轮挥舞二阶反对称2.53225风轮挥舞二阶对称2.73579风轮摆振二阶对称2.74569风轮摆振二阶反对称2.75452风轮摆振二阶反对称2.81889风力机全机动力学方程的建立

通过模态综合法建立风轮与塔架耦合的动力学方程，推导出的叶片动力学方程为：塔架的动力学方程为：采用四步Runge-Kutta方法求解运动方程组。塔架加速度塔架速度叶片加速度叶片速度计算流程图YN输出计算结果计算广义力读入模态数据建立风轮塔架耦合动力学方程是否达到时间更新叶片速度，将结构响应引入气动计算求解耦合动力学方程初始化诱导速度，叶片速度计算入流角动态失速修正Cn，Ct查表插值得到Cl，Cd计算升力阻力BEM计算诱导速度，入流角动态入流修正诱导速度偏航模型修正读入数据非定常气动力计算动力学方程求解算例分析

算例选用的大型风力机的主要参数为：额定功率1.5MW，风轮半径40.3m，塔架高度63m，风轮额定转速为17.2r/min。对该风力机模型在11m/s风速，风轮转速17.2r/min，叶片桨距角4.36°，处于不同偏航状态下的全机气弹响应进行了计算。偏航20°时叶根剪力算例分析偏航20°时塔顶位移响应不同偏航角下叶尖挥舞方向位移响应算例分析偏航20°时挥舞方向叶尖位移响应偏航20°时摆振方向叶尖位移响应结论通过计算分析不同偏航角和塔架柔性对叶片动态特性的影响，得出如下结论：1.偏航角的增大会减小叶尖的位移响应的均值，但会使位移

响应的振幅变大；2.