2024中国可再生能源大会：长柔叶片尾缘迎风工况气弹振动诱发机理及预测研究

长柔叶片尾缘迎风工况气弹振动诱发机理及预测研究风力机气弹概述典型故障形式及工程应对措施风力机气弹概述典型故障形式及工程应对措施尾缘迎风降载工况气弹振动现象及机理二三三气动阻尼预测方法总结及讨论气动阻尼预测方法总结及讨论四五五一、风力机气弹概述l风电“大”时代：大兆瓦风机、超长叶片VS轻量化、低成本一、风力机气弹概述机舱方向机舱方向叶片转动方向风力机工况多，运行姿态参数多，组合形成多种复杂入流条件一、风力机气弹概述123456789当前叶片尺寸大、频率较低且密集，与复杂一、风力机气弹概述气动弹性力学研究弹性体在气流中运动时的力学行为，涉及空气动力学、结构动力学和弹性力学弹性力弹性力学惯性力气动力Collar的力三角形学运。的。界Mξ+Cξ+Kξ运。的。界q振动的结构诱发流体的非定常运动，流体又对气动弹性对风电机组的发电效率和安全性有显著影响，严重时会使结构破坏造成事故风力机气弹概述典型故障形式及工程应对措施风力机气弹概述典型故障形式及工程应对措施尾缘迎风降载工况气弹振动现象及机理二三三气动阻尼预测方法总结及讨论气动阻尼预测方法总结及讨论四五五二、典型故障形式及工程应对措施停机状态下的摆振二、典型故障形式及工程应对措施净空扫塔痕迹现状：本质是静气动弹性影响问题。受地形影响，近地风切变复杂，净空设计需考虑这些因素二、典型故障形式及工程应对措施应对措施应对措施极端风速颤振破坏二、典型故障形式及工程应对措施l振动常发生在叶片静止时，通常在并网前/故障维修l并非极端风速（10m/s风向角（30度以上）和入流倾角（20度以上）关键；l振动方向常见于摆振方向，近似单自由度颤振问题，振动频率通常锁定于振动方向的模态频率；现状及应对措施现状及应对措施三、停机工况气弹研究进展l易诱发非预期的挥舞方向振动，风洞试验证实。DU91-W2-180翼型风洞试验数据对比风叶片尾缘迎风工况示意图及诱发的挥舞振动风叶片尾缘迎风工况示意图及诱发的挥舞振动但气动力曲线随攻角变化可能更加复杂风力机气弹概述典型故障形式及工程应对措施风力机气弹概述典型故障形式及工程应对措施尾缘迎风降载工况气弹振动现象及机理二三三气动阻尼预测方法总结及讨论气动阻尼预测方法总结及讨论四五五三、尾缘迎风工况挥舞振动现象及机理三、尾缘迎风工况挥舞振动现象及机理Amplitude二维翼型气动弹性风洞试验原理与实物图22.134Hz46Amplitude二维翼型气动弹性风洞试验原理与实物图22.134Hz46140001200010000400020006000800000210Y(Y(cm)Frequency(Hz)Time(s)Frequency(Hz)试验模型地面试验响应及频率三、尾缘迎风工况挥舞振动现象及机理三、尾缘迎风工况挥舞振动现象及机理stableunstable0.10.080.06155相差约2°,计算失稳减风洞试验失稳范围耦合仿真失稳范围6m/s6m/s7m/s8m/s9m/s10m/s11m/s12m/s13m/s14m/s50不同试验工况振幅大小unstableunstableCFD-CSDExp0失稳边界对比三、尾缘迎风工况挥舞振动现象及机理Peak-to-Peak(cm)Frequency(Hz) 520结构减缩频率对失稳特性的影响Peak-to-Peak(cm)Frequency(Hz) 520结构减缩频率对失稳特性的影响86 86αα=165°风洞试验振幅随风速变化α=165°风洞试验频率随风速变化Ampl/cks10.50Ampl/cks10.50 ks0.521α=167°耦合仿真振幅随ksα=167°耦合仿真振幅随ks变化气动弹性分析模型流动模态与结构模态耦合过程气动弹性分析模型流动模态与结构模态耦合过程{.s气动力模型构建离散状态空间连续状结构运动方程结构运动方程三、尾缘迎风工况挥舞振动现象及机理尾缘迎风挥舞振动失稳机理分析0.0040.0020-0.002-0.004102030Tks=1.2 0ks=1.2 0123450.40.35 0.30.25 0.20.15 0.10.050ks训练信号0.030.020.01-0.01-0.02-0.03训练模型结果与CFD对比0.030.020.01-0.01-0.02-0.03CFDROM406080020406080tImagImagfluidmodeks=0.12-0.25-0.2ImagImagfluidmodeks=0.12-0.25-0.2-3.5-3-2.5-2Real-1-0.500.5-1.52031降阶模型获得的流动频率降阶模型得到的耦合系统根轨迹三、尾缘迎风工况挥舞振动现象及机理尾缘迎风挥舞振动失稳机理分析尾缘迎风挥舞振动失稳机理分析ks=0.12ImagImagRealIRealImag尾缘迎风挥舞振动理论模型168°耦合系统根轨迹ks=0.12006结构与流动模态阻尼随ks的变化图结构与流动模态响应频率随ks的变化图三、尾缘迎风工况挥舞振动现象及机理ROMCFD-CSDROMCFD-CSDksks165°攻角附近ROM与FSI方法失稳边界对比尾缘迎风工况两个失稳区间ROM与FSI失稳边界对比三、尾缘迎风工况挥舞振动现象及机理0.60.40.20ζ=0ζ=0.008ζ=0.016ζ=0.032unstable-0.2-0.10Real0.010-0.01-0.020.010-0.01-0.02ζζ=0ζ=0.008ζ=0.016ζ=0.032unstable0.150.20.25ks0.60.40.2ζ=0ζ=0.008ζ=0.016ζ=0.032unstable-0.10Realunstable0.010-0.01-0.02-0.03-0.04-0.0500.20.40.6ksunstable0.010-0.01-0.02-0.03-0.04-0.0500.20.40.6ks0-0.2增加阻尼比，增加结构分支稳定性；增加质量比，降低耦流动模态与结构模态耦合程度不同（质量比不同），结构模态分支左移（增加结构阻风力机气弹概述典型故障形式及工程应对措施风力机气弹概述典型故障形式及工程应对措施尾缘迎风降载工况气弹振动现象及机理二三三气动阻尼预测方法总结及讨论气动阻尼预测方法总结及讨论四五五四、气动阻尼预测方法N尾缘迎风分离较弱叶片气动阻尼计算思路四、气动阻尼预测方法0来流风向角定义来流风向角定义Chord00.20.40.60.810.020.010.050.040.0305四、气动阻尼预测方法0.50.45damping:0.0050.010.40.350.30.250.20.150.115516016510175180185UnstableAoa()叶片挥舞模态气动负阻尼分布不同结构减缩频率下，叶片的失稳风向角范围四、气动阻尼预测方法RMSRMS5022m/s风洞试验不同风向角叶根应变均方根s0s0Ks=0.06，预测失稳区域与试验失稳区域对比在156°与180°附近出现了较大的挥舞发展的叶素阻尼方法预测失稳边界与试验失稳四、气动阻尼预测方法该方法可以提取气动阻尼的分布特征和局部贡献，从气弹稳定性角度指导ζn0ζn0叶片两个失稳风向角下不同截面当地来流攻角