風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)彈性對(duì)風(fēng)輪性能的影響

風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)彈性對(duì)風(fēng)輪性能的影響

0氣動(dòng)彈性對(duì)大型風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)創(chuàng)造的影響隨著風(fēng)力機(jī)日益擴(kuò)大和較大傾角的發(fā)展，葉片的氣動(dòng)彈性問(wèn)題越來(lái)越受到重視。目前國(guó)內(nèi)外已有的風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法和軟件大都是假設(shè)葉片為剛性體,即在不考慮葉片彈性變形的前提下,通過(guò)改變?nèi)~片的翼型、弦長(zhǎng)和扭轉(zhuǎn)角沿展向的分布來(lái)設(shè)計(jì)滿足一定氣動(dòng)特性要求的葉片外形。然而,由于真實(shí)葉片并不是剛性的,在實(shí)際的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下,必然產(chǎn)生彈性變形。對(duì)于大型風(fēng)力機(jī)葉片,由于設(shè)計(jì)功率成倍增加,所受載荷大幅提高,受制于重量與體積,結(jié)構(gòu)更為細(xì)長(zhǎng)。剛度降低會(huì)產(chǎn)生較大的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形,導(dǎo)致葉片在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中氣動(dòng)外形與設(shè)計(jì)外形產(chǎn)生偏差,使葉片偏離原設(shè)計(jì)點(diǎn),影響氣動(dòng)效率,并對(duì)風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成較大的影響。因此,研究氣動(dòng)彈性對(duì)葉片以及風(fēng)力機(jī)組的影響,并將其應(yīng)用于葉片設(shè)計(jì)與優(yōu)化,對(duì)提高葉片氣動(dòng)性能、氣動(dòng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性和結(jié)構(gòu)安全性,有重要意義。本文將氣動(dòng)彈性影響引入風(fēng)力機(jī)葉片的氣動(dòng)計(jì)算中,對(duì)一大型變槳型風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了多種風(fēng)速下葉片載荷及風(fēng)輪性能等計(jì)算,并與剛性假設(shè)下的原計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,分析了氣動(dòng)彈性對(duì)葉片氣動(dòng)外形的改變,以及氣動(dòng)彈性對(duì)風(fēng)輪性能的影響;并對(duì)氣動(dòng)彈性引起載荷重新分布的情況進(jìn)行了計(jì)算,分析了其對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。1氣動(dòng)設(shè)計(jì)階段運(yùn)算優(yōu)化靜氣動(dòng)彈性分析分別需要用氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)分析方法來(lái)計(jì)算載荷與變形,由于葉片在氣動(dòng)設(shè)計(jì)階段需要進(jìn)行多種工況下的運(yùn)算,在保證精度的前提下應(yīng)以快速運(yùn)算和多輪優(yōu)化為主要目標(biāo),因此本文選用計(jì)算效率高、結(jié)果可靠的帶修正BEM理論和盒形梁理論分別計(jì)算穩(wěn)態(tài)載荷和結(jié)構(gòu)變形,耦合靜氣動(dòng)彈性平衡方程,進(jìn)行求解。1.1受內(nèi)部因素的動(dòng)態(tài)載荷計(jì)算葉素動(dòng)量理論(BEM理論)是用于風(fēng)力機(jī)性能分析最為簡(jiǎn)便快捷的方法。不僅廣泛用于風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)和性能計(jì)算,而且還用于計(jì)算風(fēng)力機(jī)的載荷。同時(shí)BEM理論還不斷地被進(jìn)一步改進(jìn),以提高計(jì)算準(zhǔn)確性,擴(kuò)大適用范圍。本文以BEM理論為基礎(chǔ),引入葉根損失和葉尖損失,并在軸向誘導(dǎo)因子a較大時(shí)使用Ct的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。使用該方?可以計(jì)算在不同風(fēng)速、轉(zhuǎn)速和槳距角配置下的穩(wěn)態(tài)載荷以及功率。1.2開剖面剪流和相對(duì)扭角風(fēng)力機(jī)葉片屬于梁式多閉室薄壁結(jié)構(gòu),本文采用盒形梁理論來(lái)分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布,再求出靜氣動(dòng)彈性分析時(shí)所需的扭轉(zhuǎn)角。由于外載荷與結(jié)構(gòu)均沿展向變化,因此進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)可先用片條理論將葉片離散,離散位置與氣動(dòng)分析時(shí)一致,然后對(duì)每一片條進(jìn)行求解。葉片弦向剛度比展向剛度要大得多,可以假設(shè)葉片的翼剖面沒(méi)有弦向變形;由于每一剖面外形與材料分布均不同,而結(jié)構(gòu)形式基本一致,故先沿弦向?qū)⑵拭骐x散成若干微段,再進(jìn)行數(shù)值積分求得截面特性。多閉室結(jié)構(gòu)為靜不定結(jié)構(gòu),求解時(shí)需切開閉室,形成開剖面系統(tǒng),以解除靜不定。使用式(1)計(jì)算開剖面剪流:q?=QyJxSx+QxJySy(1)q?=QyJxSx+QxJySy(1)式中Qx、Qy分別為剪力,Jx、Jy、Sx、Sy分別為剖面上承受正應(yīng)力的面積對(duì)x軸和y軸的慣性矩和靜矩。利用力矩平衡條件∑M=0和變形協(xié)調(diào)條件θ=θi,求出平衡剪流q0i,與開剖面剪流q?q?相加得到盒形梁剖面的最終剪流qi,再根據(jù)卡氏定理,使用式(2)求解相對(duì)扭角θ。θ=12Ai?iqidsGt(2)θ=12Ai?iqidsGt(2)式中Ai為各閉室周線所圍面積,ue105i表示沿各閉室周線積分,G表示材料的剪切彈性模量,t表示壁板的厚度。求得各剖面相對(duì)扭角后,可沿展向進(jìn)行積分,得到各剖面絕對(duì)扭角的展向分布。利用盒形梁理論,可先求出彎心位置,將剪力平移到彎心上,等效為力與力矩,再與氣動(dòng)附加力矩疊加,即得到氣動(dòng)力對(duì)彎心的總力矩,求解扭角時(shí)可只作用力矩以簡(jiǎn)化計(jì)算?？上群笞饔靡患袅和扭矩Mz于翼剖面上,分別求出引起的相對(duì)扭角θq和θm,再根據(jù)式(3)可得到彎心相對(duì)剪力作用點(diǎn)位置dˉdˉ。θq+θmQ?dˉMz=0(3)θq+θmQ?dˉΜz=0(3)設(shè)計(jì)時(shí)將各翼剖面彎心布置在一條直線上,該直線即為彈性軸。1.3氣動(dòng)載荷變化和靜平衡方程葉片在氣動(dòng)設(shè)計(jì)階段只計(jì)算運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)態(tài)載荷,結(jié)構(gòu)的彈性變形被認(rèn)為是緩慢發(fā)生的,由變形速度和加速度引起的空氣動(dòng)力與彈性力相比,可以忽略不計(jì),時(shí)間不以獨(dú)立的變量出現(xiàn)在氣動(dòng)彈性平衡方程中。由于葉片的翼剖面幾何扭轉(zhuǎn)角變化即為攻角增量αe,對(duì)葉片氣動(dòng)載荷的影響比其他方向彈性變形的影響都大得多,因此本文在氣動(dòng)彈性變形計(jì)算中只考慮了葉片沿展向的翼剖面幾何扭轉(zhuǎn)角的變化。典型翼型剖面的氣動(dòng)彈性的靜平衡方程式為:Le+MAC=Kααe(4)式中L為升力,e為從氣動(dòng)力中心至彈性軸的距離,MAC為繞氣動(dòng)力中心的力矩,Kα為彈性彈簧常數(shù)。風(fēng)力機(jī)葉片工作在大攻角下的狀態(tài)較多,阻力分量引起的扭矩不可忽略;而針對(duì)多閉室結(jié)構(gòu)的求解方法,式(4)右側(cè)的彈性力矩項(xiàng)也必須作出相應(yīng)修改,因此得到以下的氣動(dòng)彈性靜平衡方程式:Lcos(α0+αe)e+Dsin(α0+αe)e+MAC=∑i=1n2q0iAi(5)Lcos(α0+αe)e+Dsin(α0+αe)e+ΜAC=∑i=1n2q0iAi(5)式中D為阻力,αe為攻角增量。式左邊為氣動(dòng)力對(duì)彎心的扭矩,右邊為結(jié)構(gòu)內(nèi)部剪流引起的扭矩。本文首先使用改進(jìn)的BEM理論得到葉片的氣動(dòng)載荷,進(jìn)行相應(yīng)的坐標(biāo)變換后使用盒形梁理論計(jì)算葉片各剖面的扭轉(zhuǎn)變形,計(jì)及變形后的葉片重新計(jì)算氣動(dòng)力進(jìn)行下一輪迭代,如此循環(huán)直到氣動(dòng)載荷變化與結(jié)構(gòu)彈性變形均滿足收斂條件,即所謂的靜氣動(dòng)彈性平衡狀態(tài)。單個(gè)工況的靜氣動(dòng)彈性計(jì)算流程如圖1所示。2計(jì)算與結(jié)果分析2.1風(fēng)力機(jī)運(yùn)行控制曲線本文采用一大型變槳型風(fēng)力機(jī)葉片及風(fēng)力機(jī)運(yùn)行控制律作為計(jì)算模型。該模型先期在不考慮氣動(dòng)彈性影響的情況下已進(jìn)行了設(shè)計(jì)。風(fēng)力機(jī)額定功率、額定轉(zhuǎn)速等參數(shù)已給定,葉片長(zhǎng)度、弦長(zhǎng)、扭角、厚度、翼型等氣動(dòng)參數(shù)以氣動(dòng)性能為目標(biāo),都已進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化?？紤]風(fēng)力機(jī)從切入風(fēng)速到切出風(fēng)速的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程,制定了控制曲線,如圖2、圖3所示,分為3個(gè)階段:1)低風(fēng)速階段:切入后,轉(zhuǎn)速恒定,尖速比逐漸減小,功率系數(shù)Cp逐漸增大到最大值。2)跟蹤功率系數(shù)最大值階段:在5m/s~10m/s風(fēng)速范圍內(nèi),隨著風(fēng)速增大,通過(guò)改變轉(zhuǎn)速使功率系數(shù)始終為最大,直到達(dá)到額定功率。3)額定功率階段:轉(zhuǎn)速恒定,通過(guò)改變槳距角使輸出功率始終為額定功率,直到達(dá)到切出風(fēng)速。在此模型基礎(chǔ)上,本文引入氣動(dòng)彈性,對(duì)風(fēng)輪性能,葉片載荷等進(jìn)行計(jì)算,并分析其影響。2.2氣動(dòng)載荷作用下葉根扭轉(zhuǎn)特性分析本文首先計(jì)算了典型風(fēng)速下葉片受氣動(dòng)載荷后的彈性變形情況。圖4顯示了葉片扭轉(zhuǎn)角剛性假設(shè)下的設(shè)計(jì)值與計(jì)及葉片彈性變形后的扭轉(zhuǎn)角計(jì)算值的比較,風(fēng)力機(jī)翼型約定低頭為正,由圖可見葉片在氣動(dòng)載荷作用下發(fā)生了明顯扭轉(zhuǎn),且越靠近葉尖的部分扭轉(zhuǎn)角逐漸增大,而該部分對(duì)發(fā)電量的貢獻(xiàn)也最大,彈性變形對(duì)葉片氣動(dòng)性能將產(chǎn)生明顯影響。對(duì)比圖5中的曲線與圖2、圖3所示的控制曲線可以看出,葉根扭矩隨著風(fēng)速的變化規(guī)律受到轉(zhuǎn)速與槳距角改變的影響,曲線前兩個(gè)拐點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速在固定與變化之間的切換,第三個(gè)拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)由固定槳距角切換到變槳狀態(tài)。葉根扭矩表征了葉片總體受載的情況,葉尖受載荷后的扭角變化規(guī)律與扭矩的變化規(guī)律相一致?？傮w而言,氣動(dòng)彈性對(duì)葉片氣動(dòng)外形的影響隨著風(fēng)速的增大而增大,風(fēng)輪性能也將隨之改變。2.3低風(fēng)速區(qū)對(duì)于風(fēng)輪質(zhì)量的影響功率系數(shù)Cp是功率P的無(wú)量綱化,體現(xiàn)了風(fēng)能利用率。本文以功率系數(shù)表征風(fēng)輪性能,計(jì)算了Cp隨風(fēng)速和葉尖速比的變化情況,以分析不同工況下氣動(dòng)彈性對(duì)風(fēng)輪性能的影響。為便于比較,剛性假設(shè)與彈性假設(shè)的工況參數(shù)均相同。圖6比較了考慮氣動(dòng)彈性影響前后Cp隨風(fēng)速的變化曲線,由圖中可以看出,從切入風(fēng)速至5m/s風(fēng)速的低風(fēng)速區(qū),氣動(dòng)彈性對(duì)Cp有一定正的影響,但由于氣動(dòng)載荷較小,葉片彈性變形較小,因此對(duì)Cp影響不大;從5m/s至10m/s風(fēng)速附近的區(qū)域,氣動(dòng)彈性對(duì)Cp的影響很小;在大于10m/s風(fēng)速的區(qū)域,風(fēng)輪達(dá)到額定功率,由于機(jī)組功率的限制,葉片進(jìn)入變槳控制階段,此時(shí)Cp值下降。隨著風(fēng)速的增大,葉片所受載荷使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彈性變形,氣動(dòng)外形的變化量隨之增大,兩條曲線表示的Cp值差異明顯增大。因此在大風(fēng)速區(qū)域,氣動(dòng)彈性將對(duì)風(fēng)輪的性能產(chǎn)生明顯影響。圖7對(duì)Cp隨葉尖速比λ的變化進(jìn)行了比較,從圖中可以看出,在λ小于7的區(qū)域,氣動(dòng)彈性計(jì)算的Cp低于剛性假設(shè)下計(jì)算的Cp,表明氣動(dòng)彈性對(duì)風(fēng)輪性能產(chǎn)生負(fù)面影響;λ從7至10附近的區(qū)域兩曲線Cp差值很小,表明氣動(dòng)彈性對(duì)Cp最大值影響很小;隨著λ繼續(xù)增大,氣動(dòng)彈性計(jì)算的Cp逐漸高于剛性假設(shè)下計(jì)算的Cp,此區(qū)域?qū)?yīng)圖6中的低風(fēng)速區(qū),對(duì)風(fēng)輪性能影響不大。2.4槳距角和載荷分布功率系數(shù)Cp對(duì)風(fēng)輪設(shè)計(jì)具有重要意義,而對(duì)風(fēng)力機(jī)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程而言,需要考慮各方面的因素。葉片載荷是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要輸入條件,本文對(duì)葉片載荷較大的工況進(jìn)行了氣動(dòng)彈性影響的分析。如2.1節(jié)計(jì)算模型中所述,風(fēng)力機(jī)在達(dá)到額定功率后轉(zhuǎn)速恒定,通過(guò)改變槳距角使輸出功率保持額定功率,直到達(dá)到切出風(fēng)速。在進(jìn)行氣動(dòng)彈性計(jì)算后發(fā)現(xiàn),與剛性假設(shè)下得到的槳距角控制曲線相比,彈性葉片保持額定功率所需的槳距角值更小。隨著風(fēng)速繼續(xù)增大,兩種計(jì)算結(jié)果的差異逐漸擴(kuò)大,如圖8曲線所示。主要原因在于原設(shè)計(jì)通過(guò)增大槳距角(低頭)來(lái)減小攻角,從而保持功率不變,但由于氣動(dòng)載荷增量產(chǎn)生了附加低頭力矩,使葉片結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形,實(shí)際攻角比剛性假設(shè)下的值更小,因此在考慮彈性變形時(shí),所需的槳距角更小。由于葉片氣動(dòng)外形已發(fā)生變化,即使在考慮氣動(dòng)彈性的情況下風(fēng)力機(jī)達(dá)到了目標(biāo)功率曲線,葉片上的載荷分布也與剛性假設(shè)下設(shè)計(jì)考慮的載荷分布不同。圖9比較了同一風(fēng)速下剛性和彈性葉片的剪力圖,從圖中可以看到,靠近葉根部分和60%至80%展長(zhǎng)的部分,剛性葉片和彈性葉片沿展向的剪力分布有較大差別,剛性假設(shè)計(jì)算所得的載荷偏小,二者最危險(xiǎn)截面的載荷相差接近50%。如果采用剛性假設(shè)計(jì)算的載荷來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),誤差將增大,葉片結(jié)構(gòu)將偏危險(xiǎn)。因此,忽略氣動(dòng)彈性影響將對(duì)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性構(gòu)成影響。從另一方面來(lái)看,氣動(dòng)彈性計(jì)算所得的載荷及分布更為準(zhǔn)確,采用計(jì)及氣動(dòng)彈性影響的載荷能夠更精確地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。3氣動(dòng)彈性的影響通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)