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水平轴风力发电机旋转叶片的非线性动力学研究

冯景  
【摘要】: 能源对于人类社会的生存与发展的重要性是众所周知的,而就目前的形式来看,全世界都面临着能源枯竭和能源结构不合理的问题。一方面,各国都在寻求能源,在世界各地展开了竞争;另一方面,污染的能源已经对全球的生态环境造成了严重的破坏。人们急需寻求储藏量大又清洁的能源,在这种情况下,可再生能源就越来越引起人们的重视。作为可再生能源形式的风力发电,不但清洁无污染,而且是可再生能源发电技术中最为成熟和最具规模开发条件的发电方式之一,已受到世界各国的欢迎。20世纪70年代以后,风能的开发和利用受到各国的重视。 风力发电机在风能利用中占有最主要的地位,而叶片则是风力发电机的核心部件。叶片具有展向长、弦向短的特点,受力很复杂,在旋转过程中受气动力、弹性力和惯性力的耦合作用。剧烈的振动可能会加速叶片材料的疲劳,减少其有效寿命,甚至于导致叶片的断裂,造成巨大的经济损失。因此,对风机叶片振动问题的研究就越来越重要。 本课题主要研究了不同风速下水平轴风力发电机旋转叶片的非线性动力学问题。主要研究内容和成果有以下几方面。 (1)将水平轴风力发电机的旋转叶片简化为做定轴转动的柔性旋转悬臂梁,同时考虑叶片的气动力、弹性力和惯性力,建立了脉动风速作用下水平轴风力发电机旋转叶片的非线性动力学模型,利用牛顿定律建立了转动坐标系下叶片的动力学方程,并利用Galerkin离散方法将系统的运动偏微分方程离散为常微分方程。 (2)针对-1/2亚谐共振-1:3内共振情形,考虑到方程中存在二次非线性项,采用渐进摄动法对该方程进行摄动分析,将其转化为直角坐标下的平均方程。通过数值模拟,得到这种共振情况下的二维相图、三维相图、波形图和频谱图,分析了风速的变化对旋转叶片振动的影响。 (3)研究-1/2亚谐共振-1:2内共振情形的非线性动力学,用渐进摄动法对系统的非线性运动方程进行摄动分析,得到直角坐标形式的平均方程。利用数值模拟方法研究此种共振情况下的二维相图、三维相图、波形图和频谱图,分析了风速的变化和叶片转动角速度扰动量的幅值对旋转叶片振动的影响。 (4)通过数值模拟发现在两种共振情况下,系统都存在倍周期运动、概周期运动及混沌运动,并且会随着控制参数的增大而重复呈现周期运动、混沌运动、周期运动的变化规律。数值结果表明当仅改变平均风速时,随着平均风速的增大,风机叶片系统会出现单倍周期到多倍周期,概周期运动到混沌运动交替出现的情况;当仅改变脉动风速的幅值时,随着脉动幅值的增大,风机叶片系统呈现概周期到混沌运动,单倍周期运动到多倍周期运动交替出现的情况;当平均风速与脉动风速的幅值成固定比例变化时,随着风速的增大,系统会呈现周期运动、混沌运动交替出现的情况;随着叶片转动角速度扰动量幅值的增大,系统会呈现出周期运动、概周期运动、混沌运动交替出现的情况。


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