水平轴风力机弯扭耦合模态的颤振研究

摘要

单机大型化是现代风电机组发展的必然方向。而风电机组单机大型化使叶片的柔性无法忽略。随着叶片结构柔性加大特别是叶片扭转频率降低,将使得临界颤振速度随之降低,增加颤振发生的概率。而颤振一旦发生危害极大,可在几秒内导致风力机机械结构的损坏。颤振是两个自由度之间耦合作用的结果,一个挥舞自由度和一个扭转自由度。本文依托广东省自然科学基金“大型风力机柔性叶片的气动弹性问题研究”,基于频率重合理论及特征值理论,通过建立和求解颤振运动方程,重点分析了不同气动力作用下,不同叶片结构参数对临界颤振速度的影响;详细阐述了颤振发生的内在机理及稳定性判据;并提出了预防颤振的措施及对该措施的可行性进行了验证。论文的研究结果与M.H.Hansen等人的研究结果取得了良好的一致性,证明了本文研究结果的正确性。论文主要包括以下几个方面的内容:
　　颤振机理研究。本文以叶片中任一展向单位长度的二元叶段作为研究对象,基于准定常气动理论,由D’Alembert原理的直接平衡法建立挥舞弯曲和扭转两自由度的运动方程,分析颤振发生的内在机理。
　　临界颤振速度的影响因素研究。基于频率重合理论和特征值理论,分别分析了定常空气动力和准定常空气动力作用下颤振临界速度的变化,并且研究了叶段的质量分布、刚度分布及弦长等结构参数变化对临界颤振速度的影响。
　　颤振分析中气动阻尼的变化及颤振形态研究。基于准定常气动力模型,运用特征值分析方法,研究颤振发生过程中扭转和挥舞方向气动阻尼的变化。
　　叶片模态分析。运用结构建模软件Pro/E5.0建立水平轴风力机叶片的三维实体结构模型,并用有限元分析软件ANSYS13.0对该叶片进行固有特性分析。最后用QR方法分析了纯转动条件下风力机叶片的颤振形态。
　　颤振的预防措施研究。针对影响颤振的主要因素,结合风力机的实际生产及运行条件,重点提出了两点预防措施,并进行了验证。

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第一章 引言

1.1 研究背景及意义

1.2本课题研究意义

1.3本文的主要工作

1.4 本章小结

第二章 颤振问题概述

2.1气动弹性问题概述

2.2颤振问题概述

2.3颤振的物理本质

2.4本章小结

第三章 弯扭耦合颤振的基础研究

3.1 气动力分析

3.2 颤振稳定性判据

3.3 颤振机理研究

3.4本章小结

第四章 弯扭耦合颤振的参数分析

4.1简化的颤振理论

4.2气动参数分析

4.3 结构参数分析

4.4 验证

4.5 颤振预防措施

4.6 本章小结

第五章 叶片颤振稳定性分析

5.1 叶片动力特征方程的建立及求解

5.2叶片固有特性分析

5.3 颤振稳定性分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

附录

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