大型风电机组柔性叶片的结构优化设计方法研究

摘要

大型风电机组复合材料叶片在实际运行过程中，受气动力、弹性力及惯性力等作用，容易引起挥舞、摆振及扭转非线性变形,该变形与气动力相互耦合，极易发生气弹耦合振动，这种不稳定振动将导致整个叶片失效断裂,造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。故需寻求一种新的思路和方法解决这些工程实际问题。论文正是围绕这一艰难而又诱人的主题展开。针对西部典型风况的环境因素，对叶片区域风速载荷的数学模型、超大型柔性叶片气动与结构耦合优化设计方法、流固耦合效应下叶片动力学特性及大型风电机组叶片运行不稳定性机理等问题进行深入研究和探索。研究中获得的主要结论如下:1
　　(1)基于酒泉地区某测风塔观测的标准高度风速数据,考虑垂直风切变，采用牛顿-拉夫逊（Newton-Raphson）算法进行了风电机组标准高度和轮毂高度下的风速分布参数估计，得到了标准高度（10m）及轮毂高度（60m）下的风速分布模型，该模型可求解不同区域环境下的风速问题，克服传统方法计算精度不高等问题。得出区域风速分布模型的分布曲线。在标准高度与轮毂高度的风力状况，尤其是平均风能密度呈现较大差异，风速分布形式不同，两参数的威布尔分布较瑞利分布具有更大的适用性，极大似然估计法较最小二乘法更为精确。
　　(2)对叶片主要功率产生区翼型在不同攻角及雷诺数下升阻力系数及速度分布特征进行了仿真模拟分析，求解了风轮的诱导因子、法向力系数、切向力系数。采用BEM方法所得的扭角值在叶根附近呈现最大值，这一结果不仅增加了攻角的敏感性，而且不利于叶片设计与制造，Willson模型因保证叶片功率系数最大，忽略风电机组的实际功率输出限制，未对叶片弦长及扭角进行有效约束，采用该模型计算所得气动弦长及扭角值较大，而改进动量模型法考虑了叶尖及轮毂损失影响，外形参数计算结果与实际工况接近。
　　(3)提出一种新的风电机组叶片气动优化设计模型。在该模型中，考虑了轮毂损失、叶片宽度及厚度，采用迭代法对叶素诱导因子进行求解，并编制相关计算程序，叶尖速比在4～7.5范围内时，叶片所受轴向推力减小，进而减小整机载荷，同时有效提高叶片捕风能力与年发电量。另外，使弦长及相对厚度的分布均保持光滑并连续过渡，以便于制造。据此建立了叶片主梁结构优化数学模型，优化结果表明前缘铺层厚度变化不明显，叶片中部主梁帽铺层厚度、后缘宽度及夹芯层的铺设量显著减小。
　　(4)针对复合材料叶片铺层设计中多目标、多约束特点，采用遗传算法，以叶片的扭角、弦长、主梁、前缘及后缘的铺层厚度为设计变量，以叶尖变形和风力机输出功率为约束，柔性叶片的质量最小为优化目标。计及叶片的扭转及弯曲变形，建立叶片气动与结构耦合优化模型，因计入叶根、叶尖处损失，优化后叶尖处弦长为递减状态，与实际工况相符；扭角优化值刚性条件下整体有增加趋势，且扭角在功率的主要贡献区有所增大，可弥补因弦长减小导致的能量损失，提高复合材料叶片有限元建模的精确性。
　　(5)基于气动弹性稳定性的物理因素与叶片内部结构之间的耦合特性，提出一种新的叶片流固耦合分析方法，解决了在叶片优化设计过程中气动载荷加载这一关键性问题。直接将压力分布耦合加载到叶片有限元模型中，这种气动载荷的处理方法与实际工况较为吻合，摸索出具有复杂气动外形和内部铺层结构的复合材料叶片建模的有效方法，然后对叶片动力行为模态进行分析，叶片前两阶模态主要表现为挥舞振动，高阶模态逐渐趋于复杂化，呈现出混合振型形式，可避免共振产生，进而验证提出的叶片气动、结构优化设计方法的有效性。
　　研究表明，关于西部风况下风力机组叶片稳定性问题，是需加大力度研究叶片结构优化设计的新问题。