隨著風(fēng)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(fù)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(fēng)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(fù)雜工況下,大型風(fēng)力機整機的動態(tài)載荷情況,本文耦合空氣動力學(xué)、水動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等多學(xué)科問題,構(gòu)建了高效的海上風(fēng)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(fù)合材料葉片的截面特性,結(jié)合推導(dǎo)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(xué)方程。對于風(fēng)力機整機的動力學(xué)模擬,采用笛卡爾坐標(biāo)描述部件的剛體運動,混合坐標(biāo)方法描述部件的彈性變形,通過第一類拉格朗日方程推導(dǎo)得到整機剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)的動力學(xué)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(xué)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(fēng)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(dǎo)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(yù)估-校正格式進行離散,得到了風(fēng)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(fēng)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(dāng)?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(xué)模型,構(gòu)建了海上風(fēng)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(fēng)力機為模型計算了穩(wěn)態(tài)偏航、湍流風(fēng)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(fēng)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(fù)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(xué)位單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM315;O313.7
【部分圖文】：

南京航空航天大學(xué)博士學(xué)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(yù)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(fù)雜。隨著海水深度的本不斷增大，海上風(fēng)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(fēng)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(fēng)、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(fēng)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(fēng)和颶風(fēng)工況下風(fēng)速、風(fēng)向的劇烈為增強機組的抗臺風(fēng)能力，海上風(fēng)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(fù)雜工況態(tài)載荷情況，必須耦合空氣動力學(xué)、水動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等多動力學(xué)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(fēng)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(fù)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(fù)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(dān)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(fēng)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(biāo)系原點向量和截面坐標(biāo)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(dāng)梁結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時，坐標(biāo)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