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水平轴风力机风轮气弹动力学建模及分析研究

周桂林  
【摘要】:风能源是目前最具开发利用前景一种清洁可再生能源,为了开发和利用风能源,人类发明风力机以实现将风能向电能的转换。本文即针对风力机风轮气弹动力学问题进行相关研究:建立先进的气弹动力学分析模型,进行气弹响应及稳定性分析。本文主要研究内容包括: (1)基于直升机旋翼结构动力学模型,利用中等变形梁处理叶片的弹性变形,根据Green应变处理叶片的应变-位移关系,得到应变能的表达式;采用5节点15自由度梁单元模型对风力机风轮叶片进行有限元离散,推导由叶片弹性变形引起的弹性广义力及其切线刚度阵;引入Hartenberg-Denavit增广转换矩阵,用递推方式得到任意坐标系下叶片上质点的位置矢量,简化动能项的计算推导;引入上反坐标系方法描述风力机叶片的预弯变形,建立了可考虑预弯变形的风力机叶片结构动力学模型。 (2)采用广义动态尾迹入流模型进行风力机风轮诱导速度计算,提出一种基于模糊逻辑方法的风力机叶片动态失速模型,计算翼型非定常气动力,结合Pierce修正的Leishman-Beddoes模型,建立了综合考虑叶片动态入流以及动态失速影响的水平轴风力机风轮叶片的空气动力学模型。 (3)应用Hamilton原理,在惯性系下直接建立了风力机叶片动力学方程,组集应变能、动能、空气动力及重力等产生的虚功,得到基于广义力形式的叶片非线性动力学隐式微分方程,利用Newmark数值积分方法计算叶片气弹响应的稳态周期解,然后采用Floquet理论进行稳定性分析。 (4)以美国可再生能源实验室非定常空气动力学实验UAE Phase VI小型水平轴风力机及其1.5MW风力机和国内某1.5MW水平轴风力机叶片进行气弹响应计算和稳定性分析,并与风机商用软件Bladed计算结果、实验结果比较,对本文所建立风轮气弹模型的正确性和有效性验证。


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