（工程力學(xué)專業(yè)論文）水平軸大型風(fēng)力機(jī)翼型非定常氣動(dòng)特性分析.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n c e u n s t e a d ya e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i so f l a r g es c a l eh o r i z o n t a la x i sw i n dt u r b i n ea i r f o i l m a s t e rc a n d i d a t e ：f a n gj u n s u p e r v i s o r ：p r o f l id e y u a n m a y 2 0 10 f a c u l t yo fc i v i la n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a ，5 10 0 0 6 53 肼0m 6m 腳1腳y i i 一一 摘要 摘要 風(fēng)力機(jī)翼型氣動(dòng)力的分析計(jì)算是葉片氣動(dòng)載荷和氣動(dòng)彈性分析的核心內(nèi)容，準(zhǔn) 確地確定翼型氣動(dòng)特性是準(zhǔn)確計(jì)算葉片氣動(dòng)載荷的前提。風(fēng)力機(jī)的氣流環(huán)境十分復(fù) 雜，即使是定常流動(dòng)狀態(tài)，翼型攻角的變化也是非定常的，對(duì)于非定常的流動(dòng)狀態(tài)， 翼型氣動(dòng)力變化更是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，定常和準(zhǔn)定常的翼型氣動(dòng)模型已不再適 合于翼型氣動(dòng)載荷的計(jì)算，需要建立適當(dāng)?shù)姆嵌ǔＡ鲌?chǎng)的翼型氣動(dòng)力模型。 本文基于狀態(tài)空間描述的、改進(jìn)的b l 動(dòng)態(tài)失速模型，進(jìn)行水平軸大型風(fēng)力機(jī) 翼型非定常氣動(dòng)力分析。模型采用不可壓縮假設(shè)并忽略了前緣流動(dòng)分離所產(chǎn)生的非 定常效應(yīng)?？紤]氣流的近尾流效應(yīng)和在失速區(qū)域的后緣分離效應(yīng)以揭示翼型在任意 運(yùn)動(dòng)中的非定常氣動(dòng)力。模型用四個(gè)氣動(dòng)狀態(tài)來(lái)描述非定常氣動(dòng)力系數(shù)動(dòng)力學(xué)，其 中兩個(gè)用于描述近尾流效應(yīng)中的時(shí)間遲滯，另兩個(gè)用于描述后緣分離效應(yīng)。 利用該模型對(duì)f f a w 3 2 4 1 翼型的分析結(jié)果表明，該模型無(wú)論是在附著流區(qū)域 或失速區(qū)域均能較好地描述翼型的非定常氣動(dòng)特性：計(jì)算遲滯回線的方向與實(shí)驗(yàn)值 一致，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。 通過(guò)對(duì)n a c a 0 0 1 2 風(fēng)力機(jī)翼型的非定常氣動(dòng)力分析表明，模型能較好地描述風(fēng) 力機(jī)翼型的動(dòng)態(tài)特性?？拷~尖的單元基本處于線性區(qū)，升力系數(shù)偏離靜態(tài)值較小， 基本呈線性變化。這是由于氣流主要是附著流，流動(dòng)分離的影響不大。當(dāng)攻角變化 范圍位于失速區(qū)時(shí)，可以看到典型的失速的發(fā)生，這是由于所施加的條件已經(jīng)足以 引起較強(qiáng)的流動(dòng)分離。動(dòng)態(tài)失速點(diǎn)被延遲到比靜態(tài)失速攻角更大的攻角，當(dāng)失速真 正發(fā)生時(shí)，失速的程度遠(yuǎn)較靜態(tài)失速劇烈，并且失速一直保持到比靜態(tài)失速更小的 攻角。進(jìn)入動(dòng)態(tài)失速后的阻力特性，可以看出出現(xiàn)動(dòng)態(tài)失速后，翼型并不是在迎角 小于動(dòng)態(tài)失速迎角后立即恢復(fù)到靜態(tài)失速時(shí)的流場(chǎng)，而是對(duì)迎角的反應(yīng)有一個(gè)遲滯， 即在空氣動(dòng)力特性曲線上表現(xiàn)為一個(gè)遲滯現(xiàn)象。 最后還針對(duì)l m 2 風(fēng)力機(jī)翼型建立了三自由度結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行了基于準(zhǔn)定常狀態(tài) 假設(shè)下的氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性的數(shù)值模擬，得到了法向振動(dòng)、弦向振動(dòng)以及迎角的動(dòng)力 學(xué)響應(yīng)。這為以后的相關(guān)研究工作奠定了基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)；葉片；翼型：非定常氣動(dòng)力；動(dòng)態(tài)失速；狀態(tài)空間；后緣分離： b l 模型 廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 a bs t r a c t a e r o d y n a m i c sa n a l y s i so fw i n dt u r b i n ea i r f o i l s i st h ec o r ec o n t e n to fb l a d e a e r o d y n a m i c l o a d sa n da e r o e l a s t i c a n a l y s i s ，a n d t h ea c c u r a t e l y p r e d i c t e d a i r f o i l a e r o d y n a m i c f o r c e sa r et h ep r e c o n d i t i o n so fp r e c i s e l y c a l c u l a t i n g t h eb l a d e s a e r o d y n a m i cl o a d s t h ef l o wc i r c u m s t a n c eo faw i n dt u r b i n ei sv e r yc o m p l i c a t e d ，e v e ni f o p e r a t i n gi ns t e a d yf l o w ，t h ev a r i a t i o no fa n g l eo fa t t a c ko fa na i r f o i ls e c t i o ni su n s t e a d y w h e no p e r a t i n gi nu n s t e a d yf l o w ，t h ev a r i a t i o no fa i r f o i la e r o d y n a m i cf o r c e si sam o r e c o m p l i c a t e dd y n a m i cp r o c e s s t h e r e f o r et h es t e a d ya n dq u a s i - s t e a d ya e r o d y n a m i c m o d e l sa r en ol o n g e rs u i t a b l ef o ra i r f o i la e r o d y n a m i cl o a dc a l c u l a t i o na n da p p r o p r i a t e u n s t e a d ya e r o d y n a m i cm o d e ln e e dt ob ee s t a b l i s h e d n o wt h eb a s e r e s e a r c hr e l a t e dw i t hw i n dt u r b i n ef o c u so na e r o d y n a m i c sa n d s t r u c t u r a ld y n a m i c se t c t h ek e yw a yt od e v e l o pw i n dt u r b i n e st h e o r yi st or e s e a r c h m e c h a n i c a la n da e r o d y n a m i cl o a da n dd y n a m i ce l a s t i ca n a l y s i su n d e rt h el o a d sf o r e s a i d t h eu n s t e a d ya e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fh o r i z o n t a la x i sw i n dt u r b i n eb l a d ei s s t u d i e di nt h i sp a p e r a nu n s t e a d ya e r o d y n a m i c sm o d e lb a s e do nt h eb e d d o e s l e i s h m a n t y p ed y n a m i cs t a l lm o d e li nas t a t e s p a c ef o r m u l a t i o ni sp r e s e n t e dt op r e d i c tt h eu n s t e a d y a e r o d y n a m i cf o r c e s o na na i r f o i lu n d e r g o i n ga r b i t r a r ym o t i o n a c c o r d i n gt ot h e o p e r a t i n gc o n d i t i o no fw i n dt u r b i n ea i r f o i l s ，t h ec o m p r e s s i b i l i t y e f f e c t sa n df l o w s e p a r a t i o ni n i t i a t e df r o mt h el e a d i n ge d g ea r en e g l e c t e d t h em o d e li n c l u d e st h ee f f e c t s o fn e a rw a k ea n dt h ee f f e c t so ft r a i l i n ge d g es e p a r a t i o n f o u ra e r o d y n a m i cs t a t e sa r e a d o p t e dt od e s c r i b et h ed y n a m i c so ft h eu n s t e a d ya e r o d y n a m i cf o r c ec o e f f i c i e n t s ：t w o s t a t e sa r ea p p l i e dt om o d e lt h et i m e - l a go ft h en e a rw a k ee f f e c t ，a n dt h eo t h e rt w os t a t e s a r eu s e dt om o d e lt h et i m e - l a ge f f e c to ft r a i l i n ge d g es e p a r a t i o n t h ew i n dt u r b i n ea i r f o i l u n s t e a d ya e r o d y n a m i cl i f t ，d r a ga n dp i t c hm o m e n tf o r m u l a t i o n si ns t a t ev a r i a b l e sa n d a n l y s i sc a l c u l a t i o np r o c e s sa r eo b t a i n e d t h ed y n a m i cs t a l lc h a r a c t e r i s t i c so faf f a w 3 - - 2 41a i r f o i la r ea n a l y z e da p p l y i n gt h e p r o p o s e dm o d e l t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h em o d e lc a ne f f e c t i v e l yp r e d i c tt h eu n s t e a d y a e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f a i r f o i l sw h e t h e ri na t t a c h e df l o wr e g i o no ri ns t a l lr e g i o n ： a r s t r - x c i t h ep r e d i c t e dc y c l i cd i r e c t i o nk e e pc o n s i s t e n tw i t ht h et e s tc y c l i cd i r e c t i o n ；t h e p r e d i c t e dd a t aa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h et e s td a t a t h eu n s t e a d ya e r o d y n a m i cf o r c e so fan a c a0 012w i n dt u r b i n ea i r f o i la r ec a l c u l a t e d a n dt h er e s u l tv a l i d a t e st h a tt h ep r e s e n t e dm o d e lc a np r e f e r a b l ym o d e lt h eu n s t e a d y a e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fw i n dt u r b i n ea i r f o i l s k e yw o r d s ：w i n dt u r b i n e ；b l a d e ；a i r f o i l ；u n s t e a d ya e r o d y n a m i c s ；d y n a m i cs t a l l ；s t a t e s p a c e ；t r a i l i n ge d g es e p a r a t i o n ；b lm o d e l i l l r 目錄 目錄 摘要i a 】b s t r a c t i i l j 錄、0 r c o n t e n t s v i i 第一章緒論1 1 1 選題背景概述1 1 2b l 模型4 1 3 風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)彈性現(xiàn)象6 1 3 1 風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性問(wèn)題6 1 3 2 風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)彈性分析8 1 4 本文主要研究?jī)?nèi)容9 第二章風(fēng)力機(jī)翼型的阻力和升力的基本理論l o 2 1 風(fēng)力機(jī)翼型的阻力1 0 2 2 風(fēng)力機(jī)翼型的升力1 l 2 3基本理論13 2 3 。1動(dòng)量理論1 3 2 3 2葉素理論16 2 3 3 動(dòng)量葉素理論1 8 2 4 風(fēng)力機(jī)幾何參數(shù)2 0 2 4 1葉片幾何參數(shù)2 0 2 4 2 風(fēng)輪幾何參數(shù)2 1 2 4 3風(fēng)力機(jī)翼型幾何參數(shù)2 1 第三章半經(jīng)驗(yàn)動(dòng)態(tài)失速模型2 3 3 1 氣動(dòng)力的狀態(tài)空間表達(dá)式2 3 3 1 1 升力分析2 3 3 1 1 1 附著流2 4 3 1 1 2 帶后緣分離的失速流動(dòng)2 6 3 1 1 3 后緣分離動(dòng)力學(xué)2 7 v 廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩： 學(xué)位論文 3 1 2 阻力分析2 8 3 1 2 1 誘導(dǎo)阻力2 8 3 1 2 2 粘性阻力2 8 3 1 3 力矩分析2 9 3 2 計(jì)算流程3 0 3 3 算例和結(jié)果3 1 第四章翼型氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性分析3 7 4 1 氣彈模型3 7 3 7 3 9 3 9 4 0 4 2 4 4 4 7 4 8 4 9 ( ：( ) n t r i n t s c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) 。i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i c o n t e n t s 。( c h i n e s e ) v c o n t e n t s ( e n g l i s h ) v i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 。l 1 1 b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h i sr e s e a r c hs u b j e c t 1 1 ：2 1 】b lm o d e l 4 1 3w i n dt u r b i n ea e r o e l a s t i cp h e n o m e n a 6 1 3 1w i n dt u r b i n eb l a d ea e r o e l a s t i cs t a b i l i t y 6 1 ：；2a e r o e l a s t i ca n a l y s i so f w i n dt u r b i n e 8 1 4r e s e a r c hc o n t e n t s 9 c h a p t e r2d r a ga n dl i f tt h e o r yo fw i n dt u r b i n ea i r f o i l 。10 2 1t h ed r a go f w i n dt u r b i n ea i r f o i l 1 0 2 2t h el i f to fw i n dt u r b i n ea i r f o i l 1 1 2 3b a s i ct h e o r y 13 2 - 3 1m o m e n t u mt h e o r y 13 2 ：；2b l a d ee l e m e n tt h e o r y 16 2 3 3m o m e n t u m b l a d ee l e m e n tt h e o r y 18 2 4t h eg e o m e t r i cp a r a m e t e ro fw i n dt u r b i n e 2 0 2 4 1t h eg e o m e t r i cp a r a m e t e ro fb l a d e 2 0 2 4 2t h eg e o m e t r i cp a r a m e t e ro f w i n dw h e e l 21 2 4 3t h eg e o m e t r i cp a r a m e t e ro fw i n dt u r b i n ea i r f o i l 21 c h a p t e r3s e m i e m p i r i c a ld y n a m i cs t a l lm o d e l s 。2 3 3 1s t a t e s p a c ef o r m u l a t i o no fa e r o d y n a m i cl o a d s 2 3 3 1 1a n a l y s i so fl i f t 2 3 3 1 1 1a t t a c h e df l o w 2 4 3 1 1 2s t a l l e df l o ww i t ht r a i l i n ge d g es e p a r a t i o n 2 6 v i i r 廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 3 1 1 3d y n a m i c so ft r a i l i n ge d g es e p a r a t i o n 2 7 3 1 2a n a l y s i so fd r a g 2 8 3 1 ：! 1i n d u c e dd r a g 2 8 ：；1 2 2v i s c o u sd r a g 2 8 ：；1 3a n a l y s i so fm o m e n t 2 9 3 2c a l c u l a t i o np r o c e s s e s 3 0 3 3e x a m p l e sa n dr e s u l t s 31 第一章緒論弟一早三百t 匕 1 1 選題背景概述 人類利用風(fēng)能的歷史比較悠久。風(fēng)車使用的起源最早可以追溯到3 0 0 0 年前，那 時(shí)候風(fēng)車的主要用途是磨碎糧食和提水。當(dāng)然，最早在海上航行的船只依靠的最基 本動(dòng)力源是風(fēng)能。自1 3 世紀(jì)起，水平軸風(fēng)車產(chǎn)業(yè)是農(nóng)村經(jīng)濟(jì)構(gòu)成的主要部分。但是， 隨著廉價(jià)的化石燃料能源的出現(xiàn)以及農(nóng)村電氣化的實(shí)現(xiàn)，風(fēng)車逐漸退出了歷史舞臺(tái)。 利用風(fēng)車( 或風(fēng)力機(jī)) 發(fā)電的歷史可以追溯到1 9 世紀(jì)晚期，美國(guó)的b r u s h 研制了一 臺(tái)1 2 k w 的直流風(fēng)力機(jī)，丹麥的l a c o u r 也開(kāi)展了有關(guān)風(fēng)力機(jī)的研究工作。然而，在 2 0 世紀(jì)的大部分時(shí)間里，除了某些邊遠(yuǎn)地區(qū)利用風(fēng)能為蓄電池提供電力外，人們對(duì) 風(fēng)能資源幾乎別無(wú)他用，而且一旦電力網(wǎng)鋪設(shè)到這些地區(qū)，這些利用風(fēng)能的低功率 發(fā)電系統(tǒng)就會(huì)被取代【l 】。 盡管人們對(duì)風(fēng)力機(jī)技術(shù)的發(fā)展和英國(guó)電力研究協(xié)會(huì)頒發(fā)的最高獎(jiǎng)項(xiàng)抱有較高的 熱情，但卻沒(méi)有對(duì)風(fēng)力發(fā)電保持濃厚的興趣，致使風(fēng)力機(jī)的研究工作進(jìn)展緩慢，這 種現(xiàn)象一直持續(xù)到1 9 7 3 年石油價(jià)格上漲。 石油價(jià)格的突然上漲，促進(jìn)了一系列重大的政府資助項(xiàng)目的研究與發(fā)展；同時(shí) 出于對(duì)不可再生的常規(guī)化石能源的擔(dān)心，也在一定程度上促進(jìn)了風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展； 近期，能源工業(yè)面臨全球環(huán)境污染的壓力，也對(duì)風(fēng)力機(jī)研究工作的大力開(kāi)展起到了 催化劑的作用【2 1 。 改善能源結(jié)構(gòu)，利用可再生能源，減少環(huán)境污染，提高人民生活質(zhì)量，已成為 全球能源工業(yè)關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)。風(fēng)能是目前最有開(kāi)發(fā)利用前景和技術(shù)最成熟的一種 可再生能源【3 】。風(fēng)能作為能源供應(yīng)是安全、清潔、豐富的，且?guī)缀鯖](méi)有限制。將風(fēng) 能應(yīng)用于發(fā)電則是目前最具競(jìng)爭(zhēng)力、最有發(fā)展前景的一項(xiàng)可再生能源技術(shù)。 目前，風(fēng)力發(fā)電已成為世界上公認(rèn)的最接近商業(yè)化、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力最強(qiáng)的可再生 能源技術(shù)之一。與太陽(yáng)能和生物能源等其他可再生能源發(fā)電技術(shù)相比，風(fēng)能具有產(chǎn) 業(yè)成熟度高、發(fā)電成本低、自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境影響好等優(yōu)點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電占用土地 資源少，資金回收期短，一般不會(huì)產(chǎn)生明顯的自然生態(tài)影響，在社會(huì)上引起的爭(zhēng)議 很少，能較快實(shí)現(xiàn)規(guī)模化發(fā)展【4 - 5 】。據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)統(tǒng)計(jì)，近5 年來(lái)，全球風(fēng)能的 累計(jì)裝機(jī)容量以年均2 0 8 左右的速度遞增。圖1 1顯示了歷年世界風(fēng)電總裝機(jī)容 廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)項(xiàng)士學(xué)位論文 量，2 0 0 9 年在韓國(guó)濟(jì)州島舉辦的世界風(fēng)能大會(huì)預(yù)計(jì)2 0 1 0 年總裝機(jī)量將達(dá)到1 9 0 ，0 0 0 兆瓦【6 1 。 圖1 - 1歷年世界風(fēng)電總裝機(jī)容量 f i g u r e 1 1 w o r l dt o t a li n s t a l l e dc a p a c i t y 專家認(rèn)為，風(fēng)能在國(guó)際能源領(lǐng)域所扮演的角色已從“補(bǔ)充能源”向“戰(zhàn)略替代 能源 方向發(fā)展。近年來(lái)，歐洲和美國(guó)的新增風(fēng)電裝機(jī)容量成為僅次于新增天然氣 發(fā)電裝機(jī)容量的第二大新增電源，2 0 0 7 年起風(fēng)能在歐盟超過(guò)天然氣成為最大新增能 源。全球風(fēng)能理事會(huì)的統(tǒng)計(jì)顯示，2 0 0 7 年歐盟2 7 國(guó)的風(fēng)能新裝機(jī)容量達(dá)8 6 0 萬(wàn)千瓦， 而同期天然氣的新裝機(jī)容量為8 2 0 萬(wàn)千瓦，油電為2 l 萬(wàn)千瓦，水電為1 8 萬(wàn)千瓦。風(fēng)能 超越天然氣，占據(jù)了歐盟能源行業(yè)的最大份額。自1 9 9 9 年以來(lái)，風(fēng)力發(fā)電的累計(jì)新 裝機(jī)容量己超過(guò)核電。據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2 0 0 3 年至2 0 0 7 年，歐盟2 7 國(guó)的風(fēng)力發(fā) 電新裝機(jī)容量為3 3 6 0 萬(wàn)千瓦，占同期發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘?1 5 7 0 萬(wàn)千瓦的2 9 7 - 1 0 】。2 0 0 6 年風(fēng)力發(fā)電為整個(gè)歐盟提供了3 5 的電力，風(fēng)電在國(guó)家電力供應(yīng)中所占的比率在西 班牙超過(guò)6 ，在德國(guó)超過(guò)7 ，而在丹麥則超過(guò)了2 0 。 展望未來(lái)，風(fēng)力發(fā)電的規(guī)模仍將保持兩位數(shù)的發(fā)展速度。據(jù)業(yè)界權(quán)威預(yù)測(cè)，在 未來(lái)幾年內(nèi)，全球風(fēng)能的每年新裝機(jī)容量將以1 2 4 的速度遞增。 目前，我國(guó)的電源主要是火力發(fā)電，但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，尋找并大力 發(fā)展新能源發(fā)電是勢(shì)在必行的選擇。我們一方面要提倡節(jié)約電能，但這終究不是治 2 第一章緒論 本之策，另一方面必須及時(shí)快速發(fā)展新能源發(fā)電，只有這樣才能緩解電能緊張這一 突出問(wèn)題。 我國(guó)發(fā)展新能源發(fā)電的生長(zhǎng)空間很大。首先，風(fēng)力發(fā)電作為一種新興的，正在 快速發(fā)展的能源類型正在被廣泛地開(kāi)發(fā)，全球每年風(fēng)電增長(zhǎng)率超過(guò)2 0 ，可以看到， 近幾年來(lái)作為能源高度依賴進(jìn)口的發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家德國(guó)，正在大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電，近2 年德國(guó)風(fēng)力發(fā)電增長(zhǎng)4 4 ，風(fēng)力發(fā)電能力高達(dá)2 萬(wàn)兆瓦，年發(fā)電量達(dá)3 0 0 億度，可滿 足數(shù)百萬(wàn)個(gè)家庭的電力需求，我國(guó)擁有1 8 0 0 0 公里的海岸線，邊緣海中有島嶼6 0 0 0 多個(gè)，風(fēng)能資源包括海上風(fēng)能資源極為豐富，而我國(guó)的海上風(fēng)力發(fā)電還剛剛開(kāi)始， 可以說(shuō)幾乎是空白 8 - 1 3 】。 現(xiàn)在，把風(fēng)電場(chǎng)建在內(nèi)陸、島嶼和海岸的的效益比較可觀，但是英國(guó)、荷蘭、 德國(guó)等一些歐洲國(guó)家經(jīng)驗(yàn)表明，將風(fēng)電場(chǎng)建在海上，經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效 益更加明顯。隨著兆瓦級(jí)機(jī)組的發(fā)展，一方面，由于陸上2 兆瓦的風(fēng)力機(jī)葉片長(zhǎng)度達(dá) 到4 0 米左右，導(dǎo)致容量大于2 兆瓦的風(fēng)力機(jī)陸上運(yùn)輸及安裝都變得相對(duì)困難，另一方 面，海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的度電成本得到了減低，所以隨著大容量風(fēng)力機(jī)組設(shè)計(jì)及制造 技術(shù)的逐漸成熟，海上風(fēng)電場(chǎng)的開(kāi)發(fā)必將成為我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展方向。 因此，海上風(fēng)電場(chǎng)的開(kāi)發(fā)必將成為風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展方向。 我國(guó)風(fēng)能資源豐富，儲(chǔ)量3 2 億千瓦；考慮到風(fēng)力機(jī)尾流的相互作用和風(fēng)輪掃掠 面積修正，中國(guó)陸地實(shí)際可開(kāi)發(fā)的風(fēng)能約為2 5 3 億千瓦，與可開(kāi)發(fā)的水電裝機(jī)容量 3 8 億千瓦為同一量級(jí)；再加上近海的風(fēng)能資源，我國(guó)可開(kāi)發(fā)風(fēng)能資源估計(jì)在l o 億 千瓦以上，具有很大的商業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展的潛力。2 0 0 6 年1 月1 日我國(guó)可再生能源 法的頒布實(shí)施促進(jìn)了我國(guó)風(fēng)電的快速發(fā)展，截至2 0 0 6 年年底我國(guó)累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容 量2 4 0 5 兆瓦。根據(jù)中國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從1 9 9 3 年至2 0 0 6 年風(fēng)電裝機(jī)容量 年平均增長(zhǎng)率達(dá)至1 j 6 8 8 。根據(jù)國(guó)家可再生能源發(fā)展規(guī)劃，至l j 2 0 1 0 年和2 0 2 0 年，風(fēng) 電裝機(jī)將分別達(dá)至0 4 0 0 萬(wàn)千瓦和3 0 0 0 萬(wàn)千瓦。2 0 2 0 年以后隨著化石燃料資源減少， 成本增加，風(fēng)電則具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，風(fēng)電將進(jìn)入完全商業(yè)化發(fā)展階段，2 0 3 0 年， 裝機(jī)容量可望達(dá)到1 5 到2 億千瓦，成為第三大主力電源，2 0 3 0 年以后水能資源大部 分也將開(kāi)發(fā)完，近海風(fēng)電市場(chǎng)進(jìn)入大規(guī)模開(kāi)發(fā)時(shí)期【1 4 】。 通過(guò)向京都協(xié)議書締約國(guó)出售二氧化碳減排量的清潔發(fā)展機(jī)制c d m 項(xiàng)目是 推動(dòng)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)商業(yè)化發(fā)展的重要因素，風(fēng)電項(xiàng)目投資大，發(fā)電成本高，非常適合于 做為c d m 項(xiàng)目。至u 2 0 2 0 年，風(fēng)電c d m 項(xiàng)目的潛力預(yù)計(jì)為2 0 0 0 萬(wàn)千瓦，年發(fā)電量4 6 0 - _ 1 廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論之 億千瓦時(shí)，減排潛力為l1 0 0 萬(wàn)噸碳。截止2 0 0 6 年1 2 月3 1 日，在國(guó)家發(fā)展與改革委員 會(huì)審批通過(guò)的c d m 項(xiàng)目中，風(fēng)電項(xiàng)目已經(jīng)達(dá)至l j 6 0 個(gè)【1 1 。 目前，我國(guó)政府批準(zhǔn)的c d m 項(xiàng)目購(gòu)買方有英國(guó)、西班牙、奧地利、日本、世界 銀行、荷蘭、意大利、瑞典、加拿大、盧森堡等。我國(guó)部分新能源企業(yè)通過(guò)c d m 項(xiàng) 目和這些國(guó)家合作，已經(jīng)嘗到了甜頭。 風(fēng)能是一門綜合性很強(qiáng)的技術(shù)學(xué)科，涉及到氣象學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、 計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、材料工程、機(jī)電工程、環(huán)境科學(xué)等學(xué)科和專業(yè)，可稱之為 風(fēng)能工程，其中空氣動(dòng)力學(xué)是關(guān)鍵的學(xué)科之一。一個(gè)空氣動(dòng)力性能好的風(fēng)力機(jī)不但 可獲得高的功率系數(shù)，進(jìn)而得到好的經(jīng)濟(jì)效益，而且在使用安全可靠方面，以及較 少環(huán)境噪聲方面都有良好的技術(shù)效益和社會(huì)效益f 1 4 棚】。 風(fēng)力機(jī)是風(fēng)能工程中的核心，它是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或電能的裝置。通 常，風(fēng)力機(jī)由風(fēng)輪系統(tǒng)，傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和塔架系統(tǒng)等組成，其中 風(fēng)輪是關(guān)鍵部件，風(fēng)輪葉片在風(fēng)的作用下產(chǎn)生空氣動(dòng)力使風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能。因此， 風(fēng)能工程中的空氣動(dòng)力問(wèn)題主要是風(fēng)輪葉片的空氣動(dòng)力問(wèn)題。 風(fēng)力機(jī)有阻力型風(fēng)力機(jī)和升力型風(fēng)力機(jī)兩種，目前主要是升力型風(fēng)力機(jī)。升力 型風(fēng)力機(jī)又可分為水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)，主要是水平軸風(fēng)力機(jī)。 研究風(fēng)能工程中的空氣動(dòng)力問(wèn)題的方法有理論計(jì)算、風(fēng)洞試驗(yàn)和風(fēng)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，他 們互相補(bǔ)充、互相促進(jìn)。理論計(jì)算主要是將空氣動(dòng)力學(xué)的基本理論，特別是直升機(jī) 機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)的基本理論，用于建立風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力模型，研究風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng) 力特性【2 0 1 。近年來(lái)，隨著計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，除了應(yīng)用工程計(jì)算方法外，也開(kāi) 始應(yīng)用數(shù)值計(jì)算方法。 1 2b l 模型 t h e o d o r s e n 用勢(shì)流理論近似分析了非定常升力和俯仰力矩，該方法成為固定機(jī)翼 飛行器附著流動(dòng)區(qū)域失速分析的基礎(chǔ)償。上世紀(jì)5 0 年代以前，動(dòng)態(tài)失速分析僅采用實(shí) 驗(yàn)研究的方法，到7 0 年代后期，建立了解析的動(dòng)態(tài)失速模型，之后，人們對(duì)模型進(jìn)行 了改進(jìn)并引入了其他模型瞳幻。由于流動(dòng)的復(fù)雜性，目前在理論上還沒(méi)有準(zhǔn)確確定翼型 非定常動(dòng)態(tài)響應(yīng)的模型，實(shí)際中多采用基于實(shí)驗(yàn)總結(jié)的半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算模型。主要包括不 可壓t h e o d o r s o n 薄翼模型2 、o n e r ae d l i n 模型3 和b e d d o e s l e i s h m a n 模型晗 矧等。 4 第一章緒論 在這些模型中，除o n e r a 模型犯朝外，很少有用狀態(tài)空間來(lái)描述的，b l 模型開(kāi)始采用 指數(shù)函數(shù)方法，因?yàn)樵摲椒ǚ浅＿m合于數(shù)值計(jì)算乜射，而狀態(tài)空間描述更適合于氣彈穩(wěn) 定性分析。目前，氣彈分析中使用較多的是半經(jīng)驗(yàn)的、狀態(tài)空間描述的b l 模型，半 經(jīng)驗(yàn)意味著模型建立在一些依據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的有一定物理意義的常數(shù)上。類似于活塞理 論，b l 模型考慮了非定常二維無(wú)粘尾流、后緣分離、前緣分離和壓縮效應(yīng)。b l 模 型在附著流動(dòng)條件下的狀態(tài)空間表示在文獻(xiàn) 2 5 中給出，而對(duì)于完全的動(dòng)態(tài)失速模型 在文獻(xiàn) 2 6 中給出，詳細(xì)的非定常阻力計(jì)算在文獻(xiàn) 2 7 中給出，而考慮翼展效應(yīng)的近 尾流擴(kuò)展模型在文獻(xiàn) 2 8 中給出。r i s , 實(shí)驗(yàn)室針對(duì)風(fēng)力機(jī)的翼型和實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)忽略 了b l 模型中對(duì)流動(dòng)的可壓縮效應(yīng)和開(kāi)始于前緣的流動(dòng)分離的考慮，使得b - l 模型變 得更加簡(jiǎn)潔、實(shí)用m 3 。 應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)的非定常翼型流和動(dòng)態(tài)失速的預(yù)測(cè)方法大量地基于經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的 方式，在非線性現(xiàn)象不太大的區(qū)域使用起來(lái)既快又精確。b l 動(dòng)態(tài)失速模型就是這樣 一種半經(jīng)驗(yàn)氣動(dòng)模型，用來(lái)展現(xiàn)葉片動(dòng)態(tài)失速情況下的升阻力和力矩特性。 b l 模型可以分成三個(gè)部分。第一部分是附著流，這時(shí)不考慮粘性影響，氣動(dòng)力 是線性的；第二部分是分離流，前緣和尾緣分離被考慮進(jìn)來(lái)，表現(xiàn)出非線性的氣動(dòng)力； 第三部分是動(dòng)態(tài)失速，渦流的形成、分離和流動(dòng)都要考慮，從而出現(xiàn)了氣動(dòng)力的滯回 效應(yīng)1 引。 原始的b l 模型基于指數(shù)響應(yīng)表達(dá)式。指數(shù)響應(yīng)是指空氣動(dòng)力的階躍激勵(lì)引起的 非定常氣動(dòng)力?？諝鈩?dòng)力的階躍激勵(lì)是由迎角的階躍激勵(lì)引起的。這樣的階躍響應(yīng)結(jié) 果可以用d u h a m e l 積分來(lái)近似得到，從而建立任意時(shí)間歷程里離散力的累積效應(yīng)。在 b l 模型中，將階躍激勵(lì)( 例如迎角或俯仰速率) 產(chǎn)生的翼型氣動(dòng)力響應(yīng)分為很快增大 到穩(wěn)定值的環(huán)量力和最初產(chǎn)生的脈沖的非環(huán)量力兩部分，這兩部分相互獨(dú)立啪1 。 廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 寺 圖1 - 2 迎角的瞬時(shí)改變響應(yīng)函數(shù)圖示 f i g u r e1 - 2 s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no fr e s p o n s ef u n c t i o n so f a ni n s t a n t a n e o u s c h a n g ei na n g l eo fa t t a c k 1 3 風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)彈性現(xiàn)象 1 3 1 風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性問(wèn)題 風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性問(wèn)題可分為氣動(dòng)彈性靜態(tài)穩(wěn)定性和氣動(dòng)彈性動(dòng)態(tài)穩(wěn)定 性兩種。當(dāng)風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)不出現(xiàn)振動(dòng)，這時(shí)只有彈性力和定常空氣動(dòng)力起作用， 所發(fā)生的不穩(wěn)定是氣動(dòng)彈性的靜態(tài)不穩(wěn)定，如扭轉(zhuǎn)發(fā)散。當(dāng)風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)振 動(dòng)，這時(shí)，振動(dòng)可能有三種形式：揮舞方向振動(dòng)，它是葉片在垂直于旋轉(zhuǎn)平面方向 上的彎曲振動(dòng)；擺振方向振動(dòng)，它是葉片在旋轉(zhuǎn)平面方向上的彎曲振動(dòng)；扭轉(zhuǎn)方 向振動(dòng)，它是繞葉片變距軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；在空氣動(dòng)力、慣性力和彈性力的耦合作用下， 這三種形式的振動(dòng)還會(huì)發(fā)生耦合，產(chǎn)生氣動(dòng)彈性的動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定。一般風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng) 彈性動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定包括揮舞一擺振不穩(wěn)定、扭轉(zhuǎn)一擺振不穩(wěn)定、經(jīng)典顫振、失速顫振和失 速誘導(dǎo)的擺振等h 3 。 ( 1 ) 扭轉(zhuǎn)發(fā)散 扭轉(zhuǎn)發(fā)散是風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)彈性靜態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象，它主要取決于葉片氣動(dòng)中心和 彈性軸之間的相對(duì)位置。一般，葉片葉素的氣動(dòng)中心在1 4 弦線位置，位于彈性軸前， 這時(shí)作用在葉素上的升力產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩會(huì)使葉素的入流角( 迎角) 增大，其大小與 6 第一聿緒論 氣流速度平方成正比；而由葉片扭轉(zhuǎn)剛度產(chǎn)生的恢復(fù)力矩則與速度無(wú)關(guān)，因此，在一 定的臨界風(fēng)速下葉片會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)發(fā)散，直到結(jié)構(gòu)破壞。 除了空氣動(dòng)力會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩外，對(duì)有扭角和錐角的風(fēng)力機(jī)葉片在旋轉(zhuǎn)時(shí)所引起 的離心力也會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩，引起扭轉(zhuǎn)發(fā)散，直到結(jié)構(gòu)破壞。為了避免葉片產(chǎn)生扭轉(zhuǎn) 發(fā)散，要合理選用葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)，盡量提高葉片的扭轉(zhuǎn)剛度。 ( 2 ) 揮舞一擺振不穩(wěn)定 揮舞一擺振不穩(wěn)定是風(fēng)力機(jī)單個(gè)葉片在揮舞運(yùn)動(dòng)與擺振運(yùn)動(dòng)耦合下產(chǎn)生的不穩(wěn)定 振動(dòng)。葉片在揮舞運(yùn)動(dòng)時(shí)，揮舞速度在葉片擺振方向上會(huì)產(chǎn)生科氏力( 力矩) ；而葉 片在擺振運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于擺振速度在揮舞方向上的不同，會(huì)使離心力( 力矩) 在揮舞方 向上的分量發(fā)生變化，這種相互作用使葉片出現(xiàn)不穩(wěn)定。研究表明：當(dāng)風(fēng)力機(jī)葉片在 載荷作用下產(chǎn)生大幅度揮舞運(yùn)動(dòng)和擺振運(yùn)動(dòng)時(shí)，葉片錐角或幾何扭角較大時(shí)，以及葉 片揮舞頻率與擺振頻率接近時(shí)，就容易發(fā)生揮舞一擺振不穩(wěn)定。為了避免葉片產(chǎn)生揮舞 一擺振不穩(wěn)定性，要合理選用葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使風(fēng)力機(jī)葉片的揮舞頻率遠(yuǎn)離擺振頻率。 另外，還要限制風(fēng)輪葉片錐角和扭角的大小，并適當(dāng)增加葉片的結(jié)構(gòu)阻尼。 ( 3 ) 扭轉(zhuǎn)一擺振不穩(wěn)定 扭轉(zhuǎn)一擺振不穩(wěn)定可以認(rèn)為是一種嚴(yán)重的揮舞一擺振不穩(wěn)定現(xiàn)象。在空氣動(dòng)力載荷 作用下，風(fēng)力機(jī)葉片在擺振方向和揮舞方向都要產(chǎn)生彎曲，特別是葉片變槳距時(shí)更是 如此。當(dāng)葉片扭轉(zhuǎn)變形耦合到擺振運(yùn)動(dòng)中時(shí)，就可能造成這種不穩(wěn)定。扭轉(zhuǎn)一擺振不穩(wěn) 定一般在接近葉片擺振頻率時(shí)發(fā)生，通常，在風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)時(shí)可以采用變剛度的方 法來(lái)合理設(shè)計(jì)葉片的擺振頻率，使葉片的扭轉(zhuǎn)變形減小。除了葉片擺振方向剛度很小， 葉片幾何扭角或風(fēng)輪錐角很大時(shí)，葉片一般不會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)一擺振不穩(wěn)定性。 ( 4 ) 經(jīng)典顫振 經(jīng)典顫振是飛行器機(jī)翼出現(xiàn)的典型的顫振現(xiàn)象。它是在空氣動(dòng)力、慣性力和彈性 力耦合作用下發(fā)生的振動(dòng)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象表現(xiàn)在風(fēng)力機(jī)葉片上主要是葉片揮舞一擺振不 穩(wěn)定。 當(dāng)風(fēng)力機(jī)葉片在某一個(gè)恒定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，葉片揮舞角和扭轉(zhuǎn)角平衡在某一個(gè)確 定的位置上。當(dāng)揮舞頻率和扭轉(zhuǎn)頻率接近時(shí)，或者葉片剖面質(zhì)心的位置位于氣動(dòng)中心 之后時(shí)，葉片的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和揮舞振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的耦合，在陣風(fēng)等起始擾動(dòng)的作用下 就可能導(dǎo)致大幅度的葉片振動(dòng)，導(dǎo)致葉片破壞。 顫振是一種自激振動(dòng)，不僅與葉片的氣動(dòng)參數(shù)有關(guān)，而且與葉片的結(jié)構(gòu)參與有關(guān)。 7 廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論丈 一般，通過(guò)適當(dāng)提高葉片的扭轉(zhuǎn)剛度，使一階扭轉(zhuǎn)頻率高于一階揮舞頻率1 0 倍以上， 以及合理選擇葉片剖面氣動(dòng)中心與質(zhì)心之間的相對(duì)位置和葉片彈性軸與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面 之間的相對(duì)位置，盡量使剖面質(zhì)心靠近1 4 弦點(diǎn)處，則可以避免顫振。 對(duì)于變槳距型風(fēng)力機(jī)，除了提高葉片本身扭轉(zhuǎn)剛度外，還要考慮變距系統(tǒng)的動(dòng)力 特性。 ( 5 ) 失速顫振 風(fēng)力機(jī)葉片失速顫振是由葉片失速誘發(fā)的振動(dòng)。當(dāng)葉片發(fā)生失速時(shí)，在升力曲線 和力矩曲線上出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象，因此，在臨界區(qū)內(nèi)，葉片的變矩阻尼是負(fù)值，當(dāng)迎角減 小時(shí)提供顫振所需的能量，形成失速顫振。 一般風(fēng)力機(jī)葉片的扭轉(zhuǎn)剛度比較大，因此不會(huì)發(fā)生失速顫振現(xiàn)象，但是，當(dāng)葉片 尺寸增加，特別是變槳距葉片，如果其變槳距系統(tǒng)是柔性的，扭轉(zhuǎn)剛度較低，就有可 能發(fā)生失速顫振，特別是在葉片出現(xiàn)動(dòng)態(tài)失速時(shí)，會(huì)加劇失速顫振的發(fā)生。 對(duì)定槳距失速型風(fēng)力機(jī)來(lái)說(shuō)，在葉片沒(méi)有扭轉(zhuǎn)的情況下，如果葉片有揮舞運(yùn)動(dòng)也 可能發(fā)生失速顫振。丹麥n i b ea 型風(fēng)力機(jī)在測(cè)試時(shí)，當(dāng)風(fēng)輪在6 3 0 千瓦額定功率附近 接近完全失速運(yùn)行時(shí)，葉根揮舞力矩出現(xiàn)大幅度的脈動(dòng)，在葉片揮舞頻率下葉尖出現(xiàn) 揮舞振動(dòng)。失速顫振不像經(jīng)典顫振那樣激烈，它是一種等幅值的諧振動(dòng)。為了避免失 速顫振，可以增加變矩阻尼，改善葉片失速特性和調(diào)節(jié)葉片揮舞頻率，使葉片揮舞頻 率不要接近風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)頻率。 ( 6 ) 失速誘導(dǎo)的擺振 在高風(fēng)速下，失速調(diào)節(jié)葉片的氣動(dòng)阻尼將減小，一般認(rèn)為這將主要導(dǎo)致葉片揮舞 方向的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。然而近年來(lái)，隨著風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪直徑的增加，尤其是風(fēng)輪直徑大于 4 0 米以上時(shí)，越來(lái)越多的失速調(diào)節(jié)葉片在擺振方向發(fā)生了振動(dòng)，使風(fēng)力機(jī)非正常停機(jī) 或?qū)е氯~片破壞。失速調(diào)節(jié)葉片在擺振方向的振動(dòng)是由于在高風(fēng)速下，失速調(diào)節(jié)時(shí)， 葉片氣動(dòng)阻尼減小甚至變?yōu)樨?fù)阻尼而產(chǎn)生的。 1 3 2 風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)彈性分析 風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性分析的目