【摘 要】
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风力发电是一种绿色、低碳和可再生的新能源,然而风力机在外场工作期间易受到风沙、雨水和极端气流等恶劣环境影响,并且在低温环境下,风力机叶片可能发生叶片结冰现象,这将改变风力机叶片的基础翼型形状,导致风力机叶片发生异常振动,不仅降低叶片使用寿命还存在安全隐患。本文先通过算例验证及试验测量,验证流固耦合方法用于风力机叶片振动分析的可行性与准确性。为突出低温条件下叶片振动的特殊性,对比研究常温环境下叶片、
【基金项目】
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国家自然基金（51705002）；
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风力发电是一种绿色、低碳和可再生的新能源,然而风力机在外场工作期间易受到风沙、雨水和极端气流等恶劣环境影响,并且在低温环境下,风力机叶片可能发生叶片结冰现象,这将改变风力机叶片的基础翼型形状,导致风力机叶片发生异常振动,不仅降低叶片使用寿命还存在安全隐患。本文先通过算例验证及试验测量,验证流固耦合方法用于风力机叶片振动分析的可行性与准确性。为突出低温条件下叶片振动的特殊性,对比研究常温环境下叶片、低温不结冰叶片和低温结冰叶片振动特性,分析来流风速、转速和材料对其影响,主要结论如下:通过对三维平板和NACA0012翼型振动算例分析,同时给出了平板振动理论解,开展平板振动试验,两者的颤振风速较为一致。表明流固耦合方法可用于三维旋转叶片的振动分析。通过算例发现流固耦合计算时间步长的选取对振动位移曲线的捕获影响很大,时间步长选取过大,监测到的振动位移曲线不准确;时间步长选取过小,将耗费大量计算时间,影响整体计算效率。选择合适的计算时间步长对流固耦合仿真计算非常重要。对常温（25℃）条件下风力机叶片振动特性分析,发现叶片振幅随着风速的增大而逐步增大,且与来流速度大小呈线性增长关系。当转速为74rev/min,风速10m/s的振幅为76.29mm,风速为12m/s的振幅为81.89mm,环比增加7.34%,风速为14m/s的振幅为83.21mm,增幅环比增加1.62%。当来流速度为10m/s,转速为70rev/min的振幅为70.99mm,72rev/min 振幅为 73.56mm,环比增加 3.62%,74rev/min 工况下环比增加 3.67%,74rev/min工况下环比增加3.57%。叶片振幅幅值随着转速的增大而逐步增大且呈线性增长关系。对比不同叶片制造材料,发现碳纤维叶片振动变形小。对低温条件下不结冰叶片振动分析,温度的升高和降低,影响空气的动力粘度与运动粘度,进而影响到来流气动力。温度越低,相同工况下叶片的最大振幅值越大,叶片工作环境温度与叶片振动位移呈线性关系。来流速度为10m/s时,风力机运行环境温度-10℃最大振幅数值为-80.5845mmm,比10℃下最大振幅数值增大5.8016mm,同比增大7.76%;来流速度为12m/s时,-10℃最大振幅数值为-85.4756mmm,比10℃下最大振幅数值增大5.7228mm,同比增大7.18%;来流速度为14m/s时,-10℃最大振幅数值为-87.8756mmm,比10℃下最大振幅数值增大5.8699mm,同比增大7.16%。随着温度的降低,叶片压力面与吸力面的相对压强逐渐增大。对低温条件下结冰叶片进行振动分析,发现玻璃纤维叶片与碳纤维叶片在结冰后的叶片结构固有频率相对于未结冰叶片的结构固有频率大大增加,从而改变结冰叶片受到的气动作用力。在来流10m/s、12m/s和14m/s速度下,玻璃纤维结冰叶片与碳纤维结冰叶片均未发生颤振发散现象,风力机运行是安全稳定的。相同工况下,碳纤维结冰叶片的振动位移同比玻璃纤维结冰叶片振动位移减小65.7%左右,这表明在结冰条件下,碳纤维叶片的抗振动性能优于玻璃纤维叶片。风力机叶片结冰改变了翼型的气动性能,致使叶片在旋转时刻产生的气动作用力变得更加不稳定,从而使压力面与吸力面的压强呈现不稳定波动。本文所研究低温环境下风力机的振动结果,可为风力机叶片的“抗振”设计提供理论指导,具有重要的工程价值。图[48]表[15]参[71]
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