兆瓦級(jí)Darriens型立軸式風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能評(píng)價(jià)和結(jié)構(gòu)動(dòng)特性研究.pdf

1、立軸式風(fēng)電機(jī)組以其不需要調(diào)整風(fēng)向,發(fā)電機(jī)、齒輪箱等設(shè)備放在地面上等特點(diǎn),極大克服了水平軸風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)上的固有缺陷,將成為新型高效大型風(fēng)電機(jī)組開發(fā)的趨勢(shì)。立軸式風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)攻角發(fā)生大范圍的周期性變化,大攻角運(yùn)行時(shí)將產(chǎn)生流動(dòng)分離和渦旋現(xiàn)象,由此引起的動(dòng)態(tài)失速效應(yīng)使立軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能評(píng)價(jià)變得復(fù)雜。由于外激勵(lì)風(fēng)載荷的交變性和隨機(jī)性,風(fēng)力機(jī)的振動(dòng)是必然的,立軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪屬于旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),由于旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心軟化效應(yīng)、應(yīng)力剛化效應(yīng)和科氏力效應(yīng),使立軸風(fēng)力

2、機(jī)振動(dòng)特性的獲取比較復(fù)雜,同時(shí)風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)行時(shí)處于氣流中,空氣和結(jié)構(gòu)耦合的氣彈效應(yīng)也將影響風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)特性,并有可能誘發(fā)結(jié)構(gòu)的顫振。究其本質(zhì),離心軟化效應(yīng)、應(yīng)力剛化效應(yīng)和科氏力效應(yīng)是由于結(jié)構(gòu)大運(yùn)動(dòng)與變形耦合主要是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與變形耦合造成的,而氣彈效應(yīng)亦是由于結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)造成流同邊界變化從而形成氣動(dòng)力和結(jié)構(gòu)彈性力耦合行為。這些耦合問(wèn)題涉及到連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和一般力學(xué)以及空氣動(dòng)力學(xué)和彈性力學(xué)的交叉學(xué)科,成為近幾十年以來(lái)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
　　

3、 本文回顧了VAWT結(jié)構(gòu)氣動(dòng)性能評(píng)價(jià)研究現(xiàn)狀,考察了VAWT柔性結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模方法和模態(tài)分析研究現(xiàn)狀,并對(duì)VAWT氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。論文的主要工作內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　 ①設(shè)計(jì)了MW級(jí)VAWT系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)路線,對(duì)1.2 MW Darrieus型VAWT系統(tǒng)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì),結(jié)合氣動(dòng)分析和結(jié)構(gòu)分析對(duì)風(fēng)力機(jī)各子系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì),并繪制了風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖。
　　 ②通過(guò)采用Gormont動(dòng)態(tài)失速模型、B-

4、L動(dòng)態(tài)失速模型和ONERA動(dòng)態(tài)失速模型等三個(gè)半經(jīng)驗(yàn)動(dòng)態(tài)失速模型,結(jié)合雙多流管氣動(dòng)評(píng)價(jià)模型對(duì)Sandia17m VAWT進(jìn)行了氣動(dòng)評(píng)價(jià)并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,選取了Gormont動(dòng)態(tài)失速模型對(duì)1.2MW Darrieus型VAWT進(jìn)行了氣動(dòng)評(píng)價(jià),并綜合考慮了雷諾數(shù)、風(fēng)剪效應(yīng)和有限展弦比效應(yīng)的影響。
　　 ③從動(dòng)力學(xué)建模方法出發(fā),得到離心環(huán)境下梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程的有限元格式,數(shù)值分析得到VAWT結(jié)構(gòu)動(dòng)頻即Campbell圖,并反過(guò)

5、來(lái)修改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),分析了離心軟化效應(yīng)、科氏力效應(yīng)和幾何剛化效應(yīng)對(duì)Campbell圖的影響。
　　 ④借助ANSYS二次開發(fā)技術(shù),在ANSYS二次開發(fā)平臺(tái)上利用用戶自定義單元Matrix27,建立了適合于風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)彈性分析的有限元矩陣以及考慮氣動(dòng)彈性效應(yīng)的風(fēng)力機(jī)有限元?jiǎng)恿W(xué)方程。對(duì)1.2 MW Darrieus型立軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性分析,研究了在工作風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)發(fā)生顫振的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速和顫振頻率。
　　 ⑤離心場(chǎng)中結(jié)

6、構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程出現(xiàn)科氏一階項(xiàng)為非比例阻尼項(xiàng),使結(jié)構(gòu)的模態(tài)矢量為復(fù)模態(tài)矢量,然而,在實(shí)際結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中往往舍棄虛部直接將復(fù)模態(tài)矢量處理為實(shí)矢量。本文發(fā)現(xiàn),復(fù)模態(tài)矢量蘊(yùn)含了結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)的耦合運(yùn)動(dòng)即極化運(yùn)動(dòng),而實(shí)模態(tài)矢量則對(duì)應(yīng)了質(zhì)點(diǎn)的線運(yùn)動(dòng),以實(shí)模態(tài)矢量代替復(fù)模態(tài)矢量的簡(jiǎn)化處理會(huì)掩蓋振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)本質(zhì)?？剖弦浑A阻尼形式并非真實(shí)的物理阻尼,不引起系統(tǒng)自由振動(dòng)的衰減。對(duì)于離心場(chǎng)中的雙自由度彈簧.質(zhì)量振動(dòng)系統(tǒng),科氏力項(xiàng)使系統(tǒng)的模態(tài)矢量為復(fù)矢量,復(fù)矢

7、量表示系統(tǒng)質(zhì)量點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓周軌跡。同時(shí),對(duì)于離心場(chǎng)中的雙自由度質(zhì)量彈簧阻尼振動(dòng)系統(tǒng),結(jié)構(gòu)阻尼引起系統(tǒng)自由振動(dòng)的衰減,使得系統(tǒng)單一復(fù)模態(tài)質(zhì)量點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓螺旋運(yùn)動(dòng)軌跡。
　　 ⑥建立了離心場(chǎng)中懸臂梁動(dòng)力學(xué)方程的有限元格式,重點(diǎn)關(guān)注懸臂梁的前兩階模態(tài),分析比較了科氏力對(duì)懸臂梁動(dòng)頻與離心轉(zhuǎn)速關(guān)系的影響。本文發(fā)現(xiàn),離心場(chǎng)中懸臂梁關(guān)于位移和轉(zhuǎn)角的模態(tài)矢量均為復(fù)模態(tài)矢量,位移的前兩階復(fù)模態(tài)矢量對(duì)應(yīng)著結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)的平動(dòng)橢圓極化運(yùn)動(dòng)軌跡,而轉(zhuǎn)