兆瓦级风能发电机组叶片的动态特性研究与寿命预测

叶片是风力发电机能量转换最关键的部件之一，单个部件约占整个风力发电机成本的20-30%，在兆瓦级风电机组中，叶片更是技术关键。由于作用在叶片上的载荷具有交变性和随机性,叶片的动态特性直接影响风力发电机组的效率和寿命。本研究针对兆瓦级风力机叶片动态特性和运行工况，从叶片的气动模型和流固耦合分析研究出发，综合考虑各种因素对旋转叶片的影响，进行叶片三维紊流风场作用下气动载荷分布计算，非稳态载荷下柔性体叶片动态特性及响应分析，叶片模态分析，把非定常空气动力特性和三维旋转效应两者结合起来研究兆瓦级风力机叶片的动态特性。连续动态过程和极端工况进行动态仿真,对兆瓦级风力机叶片失效形式进行研究，提出叶片寿命预测方法，为兆瓦级风力机的叶片自主设计和结构优化提供依据，提高兆瓦级风力机的运行可靠性和使用寿命。

本研究针对兆瓦级风力机叶片动态特性和运行工况，从叶片的气动模型和流固耦合分析研究出发，建立了气动载荷模型和动态失速模型，包含了叶素动量理论和广义动态入流理论等。通过集成气动载荷程序，计算了每个叶片沿着叶根到叶尖点的位移、速度和叶片的攻角，从而确定作用在叶片上的气动载荷。通过4种极端工况连续动态仿真，反映出叶片载荷变化、风速变化、振动幅值变化等叶片动态特性及响应，由于受到叶片表面压力差的影响，湍流强度随着入流风速的增加而增强，获得了兆瓦级风力机叶片外流场的速度、压力分布及规律。进行了叶片三维紊流风场作用下叶片旋转气动载荷分布计算，由于叶片旋转产生的三维效应使叶片根部区域升力增加阻力减小。气动力、弹性力和惯性力的耦合作用下三个叶片的变形相似，惯性力在叶轮平面内有着相同的方向，导致叶片的动力刚化，匀称模态容易与传动链的扭转模态产生耦合效应，如果固有频率与扭转振动频率接近，能够产生较大振幅的耦合振动。叶片材料的强度和刚度也是决定风机叶片性能的关键因素。对风力发电机复合材料叶片的交叉耦合刚度、惯性和气动扭角等动力特性进行了分析，用叶片在每个截面位置的动力特性值来评估复合材料的布局。通过分析玻璃钢复合材料特性，得出其寿命曲线在S-lgN坐标上几乎呈线性关系，这与金属材料的寿命特性曲线截然不同。采用了数值计算方法评估风机叶片的疲劳寿命，为了定量研究疲劳损伤效果，采用线性累积损伤理论对叶片寿命进行评估，建立了整机的Bladed模型，按照风场载荷设定特定的疲劳加载次数，模拟计算出的叶片试验弯矩分布曲线，刚度变化是检测叶片疲劳损伤较为可靠的方法，提出了叶片寿命预测方法。构建的偏心质量块驱动的风机叶片疲劳加载系统，疲劳加载试验采用多级变幅加载模式，控制系统采用开环驱动方式。项目按要求完成了计划内容，为兆瓦级风力机的叶片自主设计、运行可靠性和使用寿命计算提供了依据。通过项目的完成，发表论文32篇，其中SCI/EI检索15篇，国内核心刊物16篇，获得省级优秀论文一等奖1项，获得国家软件著作权登记2项，培养博士后2人，培养博士2人，培养硕士研究生15名。