侧风对风力机叶片结构动态响应影响规律和调控机理研究

The crosswind incentive is one of the most important reasons of the resonance, the flutter and the fatigue damage of the blades since the crosswind incentive. However, so far the rule and the regulatory mechanism of the effect of the crosswind factor on the structural dynamic response of the blade had not yet to be fully explained in principle. The main incentives of the unilateral wind on the wind turbine come from the enhancement effects of the asymmetry of the aerodynamic field, the turbulence and the eddy around the blades. The project intends to obtain the dynamic characteristic of the change of the asymmetry of the aerodynamic field, the turbulence and the eddy with the direction and the speed of the wind, the rotating speed of the blade by using the PIV to monitor the change of the flow field and simultaneously monitor the change of the structural dynamic response of the blades with the flow field by using the rotating telemetry equipment. Look for the relevance and the associated mechanisms between the crosswind factor and the structural dynamic response by using the change of the flow field as a bridge, and as this theoretical basis to explore the effective ways to fight the shock loads and improve the fatigue damage of the wind turbine. The related research can provide strong theoretical support for exploring of the damping measures. Meanwhile, it can provide the reliable experimental data for studying the effective decoupling method of the master equation about the fluid-structure interaction of the wind turbine.

自然界中风向的多变，会对风力机叶片产生偏侧风激励作用，是造成风力机共振、颤振及疲劳损伤最为重要的原因之一。但是，至今偏侧风对叶片结构动态响应的影响规律和调控机理仍未得到完整的解释和原理性描述。偏侧风对风力机的主要激励作用来源于侧风引起叶片周围气动场的不对称性及湍流和涡旋的增强。本项目拟通过三维高频PIV监测流场变化，获得侧风条件下叶片周围气动场的不对称性、湍流和涡旋随偏侧风风向和速度、叶片转速的变化特性。同时，通过无线旋转遥测设备监测叶片结构动态响应随流场变化的表现。在上述两项工作的基础上，以流场特征变化为桥梁，寻找侧风因素变化与结构动态响应间的关联性和关联机理，并以此为理论基础从侧风激励和风力机本体构造两方面探索风力机抗击冲击载荷和提高疲劳损伤能力的有效途径。相关研究成果将为风力机减振措施的探索提供有力的理论支撑，同时可为风力机流固耦合主控方程有效解耦方法的发现提供可靠的实验数据支持。

自然界中风向的多变会对风力机叶片产生侧风激励效应，是造成风力机共振、颤振及疲劳损伤最为重要的原因之一。然而至今，偏侧风对叶片结构动态响应的影响规律和调控机理仍未得到完整的原理性诠释。本项目首先通过高频PIV监测流场变化，获得了叶片周围流场的不对称分布（速度场、压力场）、湍流（湍流强度、雷诺应力）和涡旋（涡核中心、涡半径、涡量值及其生成、生长和扩散规律）随侧风角度、侧风速度和叶片转速变化的演变规律，总结了侧风因素对流场特征参数影响的敏感性和规律性。在流场监测的同时，通过TST应变无线遥测设备和PULSE结构振动分析装置监测了叶片结构动态响应参数（振型、振动频率、振动位移、应力/应变）随流场变化的特征。在上述两项工作的基础上，以流场变化为桥梁，总结了侧风因素变化与叶片结构动态响应间的关联性和关联机理，并以此为理论基础，基于叶片翼型的结构凹变，开发了叶片气动性能、结构鲁棒性和噪声控制的同步优化设计方法，实验结果显示，通过翼型凹变参数（位置、形式、尺度）的合理选择，可使不同工况下叶片的气动性能有3%~15%的提升，使叶片结构安全性设计中通常关注的1、2阶振动刚度值分别有7%和4.9%的提升，使叶片的气动噪声有11%~16%的降低。研究中“圆盘效应”振动模式的发现，其独特的力作用方式和所触发的作用力较其它类型振动所触发作用力具有显著优势的揭示，以及侧风工况下存在最恶劣侧风角的发现和证实，有可能为诸多风力机叶片在远短于设计寿命期内频发疲劳损伤事故而无法通过现有理论体系给出完整原理性诠释的现状提供新的解释。叶片动频值间接测试与识别方法的建立则可为风力机运行工况下动频值监测难、识别难的现状提供有效的实现方法。建立的具有较高计算精度的风力机整机流动参数/结构动态响应参数仿真算法，则可为现今风力机研发中亟待解决的流固耦合主控方程有效解耦合方法的开发提供很好的借鉴。