1西安-风能会议-高传强.pdf

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1、长柔叶片尾缘迎风工况气弹振动诱发机理及预测研究高传强，李德宁，骆府庆高传强，李德宁，骆府庆，刘荣祥，刘荣祥，张伟伟张伟伟单位：西北西北工业大学工业大学 航空学院航空学院二零二四年八月第十九届中国可再生能源大会-风能分会陕西西安 2024.8二三五一四陆上、海上风电叶片长度分别平均达到100米、140米左右；低阶挥舞摆振频率0.2-0.5Hz 风电“大”时代：大兆瓦风机、超长叶片 VS 轻量化、低成本叶片大型化面临的气动弹性问题突出，影响风力性能和安全1根叶片长度=3架C919一、风力机气弹概述一、风力机气弹概述机舱方向叶片转动方向 风力机运行模式及主要参数叶轮平面方位角偏航仰角风力机工况多，运

2、行姿态参数多，组合形成多种复杂入流条件一、风力机气弹概述一、风力机气弹概述一阶摆振模态 Edgewise一阶挥舞模态 风力机运行模式及主要参数阶次 频率（Hz）模态属性10.311一阶挥舞20.431一阶摆振30.899二阶挥舞41.286二阶摆振51.851三阶挥舞62.843三阶摆振73.128四阶挥舞84.785五阶挥舞94.890一阶扭转某叶片主要模态特性当前叶片尺寸大、频率较低且密集，与复杂流动耦合易形成多种气动弹性问题一、风力机气弹概述一、风力机气弹概述一、风力机气弹概述一、风力机气弹概述Collar的力三角形弹性力惯性力气动力静气动弹性力学动气动弹性力学结构动力学飞行力学气动弹性

3、力学研究弹性体在气流中运动时的力学行为，涉及空气动力学、结构动力学和弹性力学气动弹性对风电机组的发电效率和安全性有显著影响，严重时会使结构破坏造成事故MCK+(),Qt=振振动的的动构构非非 定定 常常 流流动运运动的的动界界q气气动 动荷荷 系系 数数气气动 动荷荷振动的结构诱发流体的非定常运动，流体又对结构施加非定常载荷，典型的耦合反馈过程二三五一四复杂风场环境（风沙、风浪环境）机组大型化（180m+塔筒；260m+叶轮）叶片柔性化低阶频率0.3Hz以下气弹载荷复杂气弹形式多样结构非线性明显大型风力机的气动弹性挑战VIV of the Tower风力机叶片颤振大幅振动停机状态下的摆振正常工

4、作时的气弹振动二、二、典型故障形式及工程应对措施典型故障形式及工程应对措施二、二、典型故障形式及工程应对措施典型故障形式及工程应对措施1.额定功率前的净空不足与扫塔扫塔后叶片状态扫塔痕迹 净空：叶片叶尖与塔筒表面的最小间隙。GL认证规范，不得小于叶片未变形状态时的30%。影响：防止叶片在受载变形过程中与塔筒发生干涉，出现扫塔现象。净空现状：本质是静气动弹性影响问题。受地形影响，近地风切变复杂，净空设计需考虑这些因素二、二、典型故障形式及工程应对措施典型故障形式及工程应对措施2.旋转运行工况下的气动弹性振动问题极端风速颤振破坏包括（a）极限风速下颤振破坏，和（b）正常风速、低转速下的叶片低频振动

5、以及叶片-塔架耦合振动。（a）提前停机、降载措施（b）伴线等塔架抑振措施，机组阻尼余量设计叶片-塔架耦合振动小转速下叶片振动应对措施二、二、典型故障形式及工程应对措施典型故障形式及工程应对措施3.停机工况下的摆振振动 振动常发生在叶片静止时，通常在并网前/故障维修期间，偏航受限；并非极端风速（10m/s），风向角（30度以上）和入流倾角（20度以上）关键；振动方向常见于摆振方向，近似单自由度颤振问题，振动频率通常锁定于振动方向的模态频率；诱发暂不机理不清：涡激共振 vs 失速颤振 vs 驰振？主动变桨，避开敏感风向角（设计阶段未知）网套等气动阻尼附件现状及应对措施三、三、停机工况气弹研究进展停

6、机工况气弹研究进展4.停机-尾缘迎风降载工况挥舞振动 叶片尾缘对风，海上风机潜在极端天气降载措施之一。易诱发非预期的挥舞方向振动，风洞试验证实。40%DU91-W2-180翼型风洞试验数据对比风叶片尾缘迎风工况示意图及诱发的挥舞振动降载效果明显效果明显，180附近气动力系数相比0附近更小但气动力曲线随攻角变化可能更加复杂复杂二三五一四14 现有的叶片多为弯扭耦合叶片，因此同一桨距角下不同展向位置的翼型截面的来流攻角不同，部分区域可能在某些小载荷桨距角下进入失速区域。某叶片扭角分布某风力机翼型气动力风洞试验下叶片挥舞方向振动诱发机理是什么？如何预测其稳定特性（气动阻尼）？三、三、尾缘迎风工况挥舞