2024中国可再生能源大会：大型风电机组长柔叶片颤振特性及控制技术研究

2244风力机叶片颤振风力机单机功率增大，尺寸上升，颤振问题日益突出研究意义加强颤研究意义加强颤振风险上升叶片：挥舞+摆振+扭转叶片：挥舞+摆振+扭转风轮：3叶片+风轮旋转塔架：弯曲+扭转o—基础：海上浮台运动2244风力机叶片颤振边界识别和颤振后响应分析跨音失速颤振旋转失速超音失速颤振超音非失速颤振亚音堵塞颤振···超临界分岔系统：临界点以上较小LCO 抵抗结构破坏 结构疲劳失效IEA15MW控制策略单叶片模态频率(IEA15MW控制策略单叶片模态频率(Hz)0.5230.6652.1244.072值额定功率叶片数3风轮半径m切入风速3额定风速切出风速最小转速5额定转速7.56设计尖速比9.0(8.97)叶片阻尼：黏性阻尼模型：fdμ11μ22μ33μ44μ55μ660.002990050.002187750.000841710其中μ11μ22μ33μ44μ55μ660.002990050.002187750.000841710RotorSpeed(rpm)WindSpeed(m/s)失控工况颤振点延后于稳态颤振边界（125%wcr,300s）RotorSpeed(rpm)WindSpeed(m/s)失控工况颤振点延后于稳态颤振边界（125%wcr,300s）884400稳态计算颤振边界风轮失控颤振边界RotorSpeed-WindSpeed!!21m/s321m/s3个算例个算例超大型风力机叶片颤振特性失控工况颤振点延后于稳态颤振边界（125%wcr）(NREL5MW:107%)→叶片尺寸增大带来的新问题风轮失控风轮失控风轮失控风轮转速&风轮失控风轮转速&风速RotorSpeed(rpm)TipDeflection(m)TipDeflection(deg)AeroPower(W)AeroPower(W)颤振边界flapedgetwist稳态计算颤振边界稳态计算颤振边界×10450−503006009001200Time(s)flapedgetwistrot455200880−5RotorSpeed(rpm)TipDeflection(m)TipDeflection(deg)AeroPower(W)AeroPower(W)颤振边界flapedgetwist稳态计算颤振边界稳态计算颤振边界×10450−503006009001200Time(s)flapedgetwistrot455200880−5−544−2−10−10−15−1500−4稳态计算 颤振边界风轮失控颤振边界 3006009003006009003006009003006009001200Time(s)Time(s)Time(s)0~500s：风速固定，转速增加500~800s：风速、转速均上升800~1150s：风速、转速均上升气动力主要对风轮旋转做正功，波动↑;平均功率先↑后↓;风轮旋转气动功率为主，波动↑平均功率↓;风轮失控颤振边界风轮失控颤振边界稳态计算颤振边界风轮失控风轮失控颤振边界稳态计算颤振边界弱)强)风轮失控颤振边界稳态计算颤振边界挥舞(flap)在转速失稳之前，叶片气弹响应已经开始失稳•1150s在转速失稳之前，叶片气弹响应已经开始失稳•800s前后，振动信号频谱中开始出现1阶挥舞频率并逐渐增强——挥舞振动气动功↑;弯扭(挥舞-扭转)耦合：1stFlap频率在挥舞(flap)和扭转(twist)频谱中较强，在摆振频谱摆振(风轮旋转方向)频谱始终以风轮转频为主导；2244超大型风力机叶片颤振特性•风力机叶片颤振能量图谱(转速-风速-总• 叶片颤振裕度大幅下降（50%→7%） 叶片颤振裕度大幅下降（50%→7%）-50.5-51.54.55fQ-50.5-51.54.55fQTwist:扭转Edge:摆振Flap:挥舞54 2 0-1-2twistedgeflaptwistedgeflap050100150200250300Time(s)flaptwist ↓flaptwist ↓Frequency(HZ)叶片的大尺寸+柔性影响：振动以摆振方向为主，幅值约2m。叶片受重力作用为主：振动以一倍风轮转频(1RS)为主导。Flap:挥舞气动正功!气动正功!气动正功重力激振下较小气动正功通过结构阻尼耗散Flap:挥舞气动正功!气动正功!气动正功Edge:摆振Twist:扭转Twist:扭转//flaptwist (振幅0.8°)5f超大型风力机叶片颤振特性5fFlap:挥舞Edge:摆振Twist:扭转 \ \flapflaptwisttwistedgeflap550100150200250300051015Time(s)Frequency(HZ)•摆振振幅2.8m(225%)•挥舞振幅0.8m(200%)•扭转振幅6.5°(1625%)2阶摆振(2E)、1阶扭转(1T)频率主导超大型风力机叶片颤振特性45Flap:挥舞Edge:摆振Twist:扭转flaptwist4320超大型风力机叶片颤振特性45Flap:挥舞Edge:摆振Twist:扭转flaptwist4320-l-2气动正/负功现气动负功区域做功正负做功正负基本同步基本同步气动负功区域挥舞：正功为主摆振：正功为主扭转：负功为主挥舞：正功为主摆振：正功为主扭转：负功为主特征截面1(R=113m)•挥舞交替做正负功•摆振以正功为主•扭转以负功为主•挥舞以正功为主以正功为主•扭转以负功为主Flap:挥舞Edge:摆振Twist:扭转 •摆振振幅7.5m(600%)•挥舞振幅6.6m(1600%)•扭转振幅11.1°(5600%)1阶挥舞(1F)频率主导超大型风力机叶片颤振特性Flap:挥舞5Twist:扭转Edge5Twist:扭转3.532.523.532.52flaptwist→从叶根向叶尖逐渐回到气动正功的气动负功区域，并影响至叶中段spanLOC(m)特征截面1(R=110m)•挥舞以正功为主•摆振以负功为主•扭转以正功为主挥舞：正功为主摆振：负功为主挥舞：正功为主摆振：负功为主2-0.08-0.09-0.11-0.12扭转：正功为主2-0.08-0.09-0.11-0.12扭转：正功为主5Dede(m)a(deg)101520255Dede(m)a(deg)•挥舞交替做正负功•摆振以正功为主•扭转以负功为主2.22-0.152.22-0.15-4-202Q(deg)Dedgc(m)-4-202Q(deg)Dedgc(m)Flap:挥舞Edge:摆振Twist:扭转 2阶挥舞(2F)频率主导•摆振振幅1.7m(125%)•挥舞振幅3.1m(800%)•扭转振幅15.7°(4000%)超大型风力机叶片颤振特性Flap:挥舞Edge:摆振54flaptwistTwist:54flaptwist3322现气动正功区域spanLOC(m)波动频率分别为叶中挥舞：正功为主摆振：正负交替扭转：负功为主挥舞：正功为主摆振：正负交替扭转：负功为主-0.05特征截面1(R=113m)-0.05•挥舞以正功为主-0.150Dedge(m)20Q(deg)2-0.150Dedge(m)20Q(deg)246Dflap(m)•扭转以负功为主CC-0.05•挥舞以负功为主-0.05-0.05•摆振交替做正负功-0.05-0.15•扭转以负功为主-0.15a(deg)Dede(m)02a(deg)Dede(m)超大型风力机叶片颤振特性低转速低风速低转速高风速超大型风力机叶片颤振特性•通过风机低速轴扭矩的频谱主频识别颤振：信号主频与叶尖振动信号一致低于运行最低转速，暂不考虑203.532.521510203.532.521510546810Rotorspeed•各工况下主导频率、各自由度振动耦合情况不同；•各自由度颤振能量分布不同；•叶片表面气动功分布情况不同，关键截面改变；•各区域内颤振特征一致。工况低转速低风速低转速高风速中等转速高风速高转速低风速摆振+挥舞+扭转小中大慢中快摆振+挥舞：气动正功扭转：气动负功摆振：叶尖负功+叶中正功挥舞：叶尖正功+叶中负功扭转：气动负功45%,90%叶展处正功22445颤振边界(变桨：8颤振边界(变桨：8°)颤振边界(变桨：4°)颤振边界(变桨：0°)变桨8°以上基本消除中低转速颤振区域IEA15MW控制策略•桨距角增大：颤振裕度增大，颤振边界远离运行曲线；气弹失稳区域总体向高风速方向缩小。•中等转速高风速气弹失稳区域减小程度最高；其次为低转速高风速气弹失稳区域。46810124681012Rotorspeed(rpm)变桨：2°变桨：4°变桨：6°变桨：8°超大型风力机叶片颤振控制IEA15MW变桨速率最大变桨角变桨时间低转速高风速 低转速高风速 flap twist flap050100150200250300Time(s)0050100150200250300Time(s) twist flap变桨完成至振动稳定： twist flap flap•转速上升，变桨完成至振动稳定•颤振早期阶段尽早进行变桨，可TimeTime(s)Time(s)变桨完成至振动稳定：≈2s变桨完成至振动稳定：≈10s变桨速率变桨速率最大变桨角变桨时间变桨速率最大变桨角变桨时间1515151510501050 twist flap10501050 twist cdge flap050100150200250300050100150200250300050