大型水平轴风力机气弹阻尼分析

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1、ADissertationSubmittedtoGuangdongUniversityofTechnologyfortheDegreeofMaster(MasterofEngineeringScience)AEROELASTICDAMPINGANALYSISOFLARGEHORIZONTALAXISWINDTURBINE(ThedissertationisfinancedbytheNSFCGeneralProject(51276043))Candidate：YanXiaohuiSupervisor：Prof．LiDeyuanJune2014SchoolofElectrome

2、chanicalEngineeringGuangdongUniversityofTechnologyGuangzhou，Guangdong，P．R．China，510006摘要摘要大型水平轴风力机的气弹阻尼分析一直是风力机领域的重要研究课题。风力机正朝着更大更柔的方向发展，由于风力机构件的柔性变形与时变气动载荷的耦合作用对风力机运行稳定性产生重要影响，叶片的气弹阻尼是影响风力机运行稳定性的最重要因素之一，因此风力机的气弹阻尼分析受到了国内外研究者们的重视。本文基于现代计算多体动力学建模方法，建立了风力机整机与单叶片的动力学模型，实现了整机与单叶片的脉冲响应分析。结合叶片气动

3、载荷模型，得到了叶片在定风速及紊流风速作用下的气弹耦合响应。通过对时域响应进行离散傅里叶变换，得出脉冲响应与气弹耦合响应的幅频特性，然后基于半功率带宽法得出叶片与塔架的结构阻尼及叶片的气弹阻尼。研究内容与结果具有重要的理论意义和实用价值。以美国可再生能源实验室(NREL)发布的5兆瓦近海水平轴风力机为研究对象，采用能反映弹性变形的“超级单元”将柔性叶片与塔架离散为有限个体。基于计算多体系统动力学理论，采用混合多体系统建模方法得到风力机的多体系统模型，并导出了整机系统与单叶片的动力学方程，实现了整机系统与单叶片的脉冲响应分析，再对时域响应及脉冲载荷进行离散傅里叶变换得到系统的

4、幅频特性，基于半功率带宽法对幅频特性进行分析得出叶片与整机系统的结构阻尼比。再结合气动模块，实现了叶片的气弹耦合仿真，对叶片的时域响应进行傅里叶变换得到系统的幅频特性，再基于半功率带宽法对叶片的幅频特性进行分析得出叶片的气弹阻尼比。采用MATLAB编写了通用的动力学仿真程序，对建立多体系统的动力学方程进行数值求解。算例分别通过本程序和ADAMS／Vibration分析了叶片的固有频率，得出的结果与NREL公布的数据进行了对比，验证了程序的正确性和建模方法的有效性。分析结果表明混合多体模型能用较少的自由度准确地描述柔性体的弹性变形、动力载荷和柔性体位移三者之间的耦合，建模方法

5、适用于风力机整机系统建模，所开发的仿真程序能为风力机气弹耦合及稳定性分析提供实用的分析平台。关键词：风力机；柔性叶片；多体系统；超级单元；气弹阻尼；结构阻尼广东工业大学硕士学位论文AbstractAeroelasticdampinganalysisoflargehorizontalaxiswindturbineisalwaysasanimportantresearchtopicinthefieldofwindturbine．Windturbineisbecominglargerandmoreflexible，becauseoftheflexibledeformationof

6、componentsofwindturbinecoupledwithtime—varyingaerodynamicloadhasagreatinfluenceonthestabilityofwindturbineoperation．Aeroelasticdampingofbladeisoneofthemostimportantfactorwhichinfluencesthestabilityofwindturbineoperation．Sotheresearchersathomeandabroadpayattentiontotheaeroelasticdampinganal

7、ysis．Thispaperisbasedonthemodelingmethodofmoderncomputingmultibodydynamics，buildthedynamicmodelofwindturbineandsingleblade，implementimpulseresponseanalysisofwindturbineandsingleblade．Combiningwiththeaerodynamicloadmodelofblade，gettheaeroelasticcouplingresponse