风力机桨叶动力学特性研究

随着社会的发展和科技的进步,人类面临着日益严重的资源枯竭和环境污染问题的挑战,此时被认为储量大,分布广,最廉价、最洁净、最有开发价值的新能源—风能得到了各界的广泛重视,对于风力机的研究也逐渐升温。在我国对于风力机的利用率较低,为了更好的利用风力资源就必须加速对它的研究。 作为风力机重要的组成部分,叶片是受力最为复杂,最为难以设计的风力机构件。叶片处在气动力、惯性力和弹性力耦合作用之中,一定条件下出现的幅度不断增加的颤振现象。这种不稳定振动,将在结构中引起很大的动应力,影响风力机的正常运行,甚至会造成叶片及整机破坏的严重后果。风力机气动弹性特性是关系到风力机安全性和可靠性的重要问题,也成为风力机研制工作中的焦点。 本文基于气动弹性理论,通过动力学基本方程的建立,分别讨论了桨叶在沉浮运动升力和扭转气动力作用下的颤振问题,发现纯沉浮振动基本上是气动阻尼运动,而纯气动扭转振动在很大范围内是气动阻尼运动,出现单自由度势流颤振的可能性是非常有限的,只有在沉浮和扭转气动力耦合作用下风力机才可能出现发散振动。因此,论文着重讨论了桨叶在沉浮和扭转耦合气动力作用下的颤振问题,分析了对颤振临界速度影响的各种因素。同时基于模态分析,利用有限元方法得到叶片的固有频率和振型,计算结果表明叶片在低频部分的前三阶模态都是整体纯弯曲振动(即风力机桨叶的挥舞振动),由第四阶和第五阶的振型图,可以观察到在叶尖部分出现的轻微扭转振动。计算考虑了积分阶次和约束条件对振型的影响,并与实验数值进行了比较,验证了理论分析的正确性。