随着风电技术发展,叶片长度增加,柔性增强。叶片大变形效应与多自由度耦合作用使气弹效应愈加明显,其弯曲与扭转变形相互耦合,影响叶片的气弹扭角与荷载分布,进一步影响风力机的功率输出及安全稳定运行。因此,研究风力机叶片的气弹耦合特性,探求叶片气弹效应对叶片性能的影响规律,对叶片的设计与运行显得极其重要。气弹耦合模型作为该项研究工作的基础,为了提高其计算精度,文中建立了一种准三维气弹耦合数学模型。在结构建模上,针对叶片的三维铺层结构和材料特性,考虑柔性叶片的几何非线性与耦合受载特性,采用APDL(Ansys Parametric Design Language)语言建立了叶片三维静态和动态分析模型,增加了叶片结构分析自由度,并与100 kW叶片的全尺寸静力试验结果进行对比,验证了其准确性;在气动建模上,考虑叶片变形及振动速度的影响,结合动态失速修正理论,发展了 BEM方法,基于Matlab平台编程建立相应的气动分析模型,并采用Bladed软件计算结果及实验结果验证了其准确性。此外,综合考虑模型的计算精度与时间,选用了弱耦合方式进行模型数值求解,即气动模块与结构模块分别独立求解,在耦合界面上采用线性内插进行信息传递。运用此气弹耦合模型,进行了以下研究:(1)针对风力机稳态运行过程,采用均匀来流风,对100kW风力机叶片进行了静气弹计算,对比分析了耦合与非耦合条件下叶尖变形、功率输出和荷载分布等特性,得到了不同风速下气弹效应对风力机叶片特性的影响规律:气弹效应随着风速的升高而增大,在额定风速附近达到最大。当风速继续上升,叶片开始变桨,气弹效应随之减小。主要是由于气弹效应引起的气弹扭转角先增大后减小,使得叶片攻角随之变化。而叶片截面多数运行在失速攻角下,此时的翼型升力系数与攻角正比变化且远高于阻力系数。(2)针对风力机实际运行过程中的非定常因素,考虑几何非线性影响,对100 kW风力机叶片进行动气弹计算,对比分析了耦合与非耦合条件下叶片特性变化,发现了如下特性:在风剪切作用下,叶尖变形及荷载整体上呈现一种随时间余弦变化的态势;在动态失速效应作用下,翼型气动性能随攻角回旋变化,叶片特性的波动要远大于不考虑动态失速影响时的叶片特性,且叶尖变形在气弹效应影响下的相对差值波动也变大;当考虑几何非线性时,叶片受载及变形不再符合线性关系,叶尖变形与荷载低于不考虑几何非线性时的相应叶片性能,且叶尖变形在气弹效应影响下的相对差值变大。此外,当考虑叶片气弹效应时,叶片的扭转变形增大,翼型攻角减小,叶片表面气动荷载随之减小,这对于机组可靠运行有利。但由于风轮转矩减小,导致风轮功率降低即功率损失,则对机组的运行成本不利。(3)为了补偿气弹效应造成的功率损失,文中基于以上的气弹耦合模型建立了一种新的气弹优化设计模型。在该模型中,以风力机年发电量(Annual Energy Production,AEP)为目标函数,叶片展向气弹扭转角为自由变量,考虑气弹效应对叶片功率输出的影响,采用粒子群优化(Particle Swarm Optimization,PSO)算法用于模型的搜索寻优。采用该模型对100 kW风力机进行了功率损失补偿研究,并与丹麦技术大学(Technical University of Denmark,DTU)提出的预扭耦合算法进行对比。结果表明,大多数风速下,其输出功率皆优于预扭耦合算法计算结果。同时在所有风速范围内,其推力系数皆低于预扭耦合算法计算结果,充分说明了气弹优化设计模型的优越性。