隨著風力機向超大型化發(fā)展,葉片柔度不斷增大使整機的氣彈響應(yīng)問題更為復雜。在各種工況環(huán)境下,整機動態(tài)響應(yīng)的精確計算是機組安全運行的根本保障,同時也能夠有效減小設(shè)計中安全系數(shù)的取值使機組具有更好的經(jīng)濟效益。對于海上風力機,還需要考慮波浪和海流作用于支撐結(jié)構(gòu)上的非定常水動載荷影響。為準確計算在復雜工況下,大型風力機整機的動態(tài)載荷情況,本文耦合空氣動力學、水動力學、結(jié)構(gòu)力學等多學科問題,構(gòu)建了高效的海上風力機整機動態(tài)響應(yīng)計算模型。采用變分漸進梁截面分析方法精確計算復合材料葉片的截面特性,結(jié)合推導的空間歐拉梁模型,建立了能夠考慮彎曲與扭轉(zhuǎn)耦合效應(yīng)的葉片動力學方程。對于風力機整機的動力學模擬,采用笛卡爾坐標描述部件的剛體運動,混合坐標方法描述部件的彈性變形,通過第一類拉格朗日方程推導得到整機剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)的動力學方程組。對葉片、塔架等部件考慮其彈性變形影響,而對輪轂、機艙等剛度相對較大的部件則簡化為剛體,部件之間通過不同類型的約束互相連接,形成完整的整機動力學系統(tǒng)。本文采用考慮結(jié)構(gòu)變形和振動速度影響的自由渦尾跡方法,實現(xiàn)風力機葉片上非定常氣動載荷的精確計算。葉片氣動特性采用簡化的升力面模型描述,而尾跡則由考慮每個葉素脫落渦的近尾跡區(qū)域和只考慮葉尖、葉根渦的遠尾跡區(qū)域組成。采用直線渦元近似模擬尾跡的曲線渦元,由Biot-Savart定律得到各渦元對空間點的誘導速度,粘性渦核模型消除數(shù)值上的奇異。對渦線控制方程的時間步采用預估-校正格式進行離散,得到了風力機非定常狀態(tài)下的尾跡形狀。同時葉片的非定常氣動載荷計算中,考慮了對動態(tài)失速以及三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的修正。對于海上風力機支撐結(jié)構(gòu)的波浪載荷計算,構(gòu)建了高精度的數(shù)值水池模型。數(shù)值水池基于求解不可壓雷諾平均N-S方程建立,采用VOF模型捕捉多相流間的交界面,UDF模塊及彈簧網(wǎng)格技術(shù)控制水池中的造波以及消波過程。該方法具有很好的計算精度并能夠得到詳細的流場信息,但計算量較大。本文也采用Morison工程方法對支撐結(jié)構(gòu)的波浪載荷進行計算,結(jié)果與數(shù)值水池和試驗方法得到的結(jié)果進行對比,顯示在適當?shù)南禂?shù)下工程算法具有很好的計算精度并且效率很高。采用P-M譜對隨機波浪進行模擬結(jié)合Morison方法對波浪載荷進行計算,耦合氣動力模型和整機動力學模型,構(gòu)建了海上風力機整機的動態(tài)響應(yīng)計算方法。在此基礎(chǔ)上,以某6MW風力機為模型計算了穩(wěn)態(tài)偏航、湍流風場以及動態(tài)偏航等工況下整機的動態(tài)響應(yīng)情況。結(jié)果顯示本文構(gòu)建的計算模型,能夠更好的反映尾流對于動態(tài)載荷的影響情況,對于機組處于動態(tài)操作過程中的載荷計算具有更好的精度。在相同工況下,與陸上機組的動態(tài)載荷對比顯示,由于海上固定式風力機支撐結(jié)構(gòu)的剛度較大,波浪載荷對于整機的動態(tài)響應(yīng)影響較小。同時采用構(gòu)建的整機動態(tài)響應(yīng)分析方法,計算了葉片由于復合材料鋪層方向、幾何變形引起的自適應(yīng)彎扭耦合效應(yīng)對載荷的影響,塔架高度對于整機成本和年發(fā)電量的影響以及塔架和低速軸柔性對整機的動態(tài)載荷影響情況。
【學位單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TM315;O313.7
【部分圖文】：

南京航空航天大學博士學位論文。并且通過采用更加的先進控制策略，例如獨立變槳或預先變需要具有高精度的整機動態(tài)響應(yīng)計算方法。力機組，整機動態(tài)仿真面臨的問題更為復雜。隨著海水深度的本不斷增大，海上風力機的支撐結(jié)構(gòu)由淺水中的固定式逐步變示。支撐結(jié)構(gòu)的形式在淺水區(qū)中與陸上風力機基本相同，采用區(qū)中，目前的試驗樣機多采用了浮動平臺結(jié)合張力繩索與海底撐結(jié)構(gòu)的運動，是風、浪、流等相互耦合的作用，使得動態(tài)響于我國東部沿海區(qū)域的風場，由于地球自轉(zhuǎn)以及大氣環(huán)流的影生成、活動的高發(fā)區(qū)域，臺風和颶風工況下風速、風向的劇烈為增強機組的抗臺風能力，海上風力機組通常采用了更大柔性降低載荷的脈動來保護機組的安全。為了準確計算在復雜工況態(tài)載荷情況，必須耦合空氣動力學、水動力學、結(jié)構(gòu)力學等多動力學響應(yīng)的計算方法。

121G 葉片的結(jié)構(gòu)型式早期基本沿用了飛機機翼設(shè)計的思路，主要采用全包著葉片的大型化發(fā)展，這些結(jié)構(gòu)型式無法使材料得到最為合理的利用及剛度性能的要求。目前，大型風力機葉片基本都采用了空心薄壁式板加主梁型式，部分超大型葉片為提高剪切強度也采用了三腹板型式維復合材料葉片主要是由外蒙皮、內(nèi)蒙皮、主梁、腹板、尾緣梁等受片受到的彎曲、剪切和扭轉(zhuǎn)載荷，常見的葉片結(jié)構(gòu)形式如圖 2.1 所示狀復合材料結(jié)構(gòu)，通常由雙軸或三軸玻璃纖維組成，其主要作用為提還承擔著大部分剪切載荷和部分彎曲載荷。主梁是葉片的主要受力部曲載荷，為了提高主梁的強度與剛度，通常采用單軸玻璃纖維組成。切部件，為了防止發(fā)生局部失穩(wěn)剪切破壞，腹板通常是雙軸玻璃纖維層結(jié)構(gòu)。風力機葉片的部分前緣和尾緣處也存在加強梁設(shè)計，用以提彎曲剛度，通常也采用與主梁一致的單軸玻璃纖維鋪層結(jié)構(gòu)。葉片的梁過度部分都采用夾芯材料填充形成的夾心層，用以提高葉片結(jié)構(gòu)的分增強使葉片剛度特性。

其中1b 指向參考線的切線方向，如圖2.4 所示。那么，結(jié)構(gòu)上任意點的空間位置可以由坐標系原點向量和截面坐標系下的向量描述，可表示為：( ) ( ) ( )1 2 3 1 a 1x ,x ,x x x xαr r b (2.12)圖 2.4 梁變形示意圖當梁結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時，坐標系ib 旋轉(zhuǎn)到新的位置iB 。若考慮剪切變形，變形后1B 將不再
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本文編號：2885396