兆瓦级水平轴风力发电机叶片的非线性动态特性分析

摘要

风力发电作为风能利用的主要方式而备受关注。叶片是风力机的关键部件之一，叶片气动特性的优劣是风力发电机运行的关键，水平轴风轮叶片作为弹性体在运行中由于气动力、弹性力和惯性力的耦合作用而引起的不稳定振动，常常是导致风力机结构破坏的重要原因之一，叶片的气动弹性稳定性问题一直是人们所关注的研究课题。迄今为止的主要研究成果都集中在风力机叶片的设计、线性稳定性分析，对于叶片的非线性模型的建立尚不系统和完善，涉及叶片非线性稳定性分析以及稳定裕度分析的研究工作尚不多见。
　　本文以国内某风力机生产厂家的某型号风力机为研究对象，根据叶片的气动力学知识建立了该叶片的简化非线性动力学模型，并对该模型的参数激励主共振，参数激励1/2和1/3亚谐共振进行了分析，其主要内容如下：
　　1.介绍了风力发电机叶片的主要几何参数，根据叶片的空气动力学特性，叶素理论，以及一系列对涡流的修正方法，完成了对叶片单元所受气动力的推导。
　　2.通过简化叶片模型，引入合理的假设，导出了其横向振动的非线性动力学模型，并结合叶片的气动弹性动力学分析结果，得出较完整的单自由度简化叶片非线性动力学模型。
　　3.采用多尺度法，较为系统、全面地研究了叶片可能发生的几种非线性动力学现象，其中包括参数激励主共振，参数激励1/2和1/3亚谐共振的解析分析，并得出了稳态响应和幅频特性曲线，并通过改变参数对比分析了幅频特性。
　　通过以上的研究工作，可以得到较系统和完善的水平轴风力机叶片的非线性动力学模型，并对其中一些非线性动力学现象有了一定的了解，对分析风力发电机运行特性，制定相应的控制策略有着重要的指导作用。

目录

兆瓦级水平轴风力发电机叶片的非线性动态特性分析

NON-LINEAR DYNAMIC CHARACTERISTICS ANALYSIS OF MEGAWATT HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE BLADE

摘要

Abstract

绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外相关研究的状况

1.2.1 风力机的发展现状

1.2.2 风力发电机叶片动力学的研究现状

1.3 本课题主要研究内容

第2章 叶片空气动力分析

2.1 风力发电机的能量转换过程

2.1.1 风能的计算

2.1.2 自由风场中的叶片

2.2 叶片的几何参数和空气动力特性

2.2.1 翼形的几何参数和气流角

2.2.2 静止叶片上的气动力

2.2.3 升力和阻力系数的变化曲线

2.3 风轮的气动力学

2.4 涡流对风轮的影响

2.4.1 风轮的涡流系统

2.4.2 利用涡流理论修正气动力表达式

2.5 本章小结

第3章 建立单个叶片的数学模型

3.1 等直旋转悬臂梁的非线性方程

3.2 叶片的振动对气动力的影响

3.3 动力学方程无量纲化

3.4 动力学方程离散化

3.5 本章小结

第4章 叶片非线性动力学特性研究

4.1 利用多尺度法处理

4.2 参数激励主共振

4.3 参数激励1/2亚谐共振

4.4 参数激励1/3亚谐共振

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间参加的科研项目

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢