风力机叶轮的失谐影响研究

失谐（包括结构失谐和气动失谐）普遍存在于叶片轮盘系统中。人们已经对一般旋转机械中的失谐问题进行了深入研究，为旋转机械的高效安全可靠运行奠定了基础。但对以叶片数少、尺度大、材料结构复杂和运行环境多变等为主要特征的兆瓦级风力机叶轮的失谐问题的探索还很少。随着风电产业的快速发展，风力机的高效安全可靠运行问题日显重要。本项目将紧密围绕如何认识与分析、减少或利用那些具有高敏感度的失谐问题对风力机高效稳定运行的影响这一关键科学问题，采用数值模拟和风洞试验的方法，着重研究结构失谐、气动失谐以及气动-结构耦合失谐条对风轮叶片大变形、剧烈振动响应和气弹失稳等现象发生的机理；探索辨识具有高度敏感性的失谐因素的方法；建立适用于风轮失谐问题的简单快速预估方法和能够揭示多物理场细节的全三维非线性流固耦合数值模拟体系；归纳和总结失谐对风力机叶片气弹稳定性以及振动响应的可能有利影响，探索有效可行的主动失谐控制途径。

失谐问题不可避免地存在于所有的旋转机械之中。不同于一般的旋转机械，风力机叶轮具有叶片数少、叶型细长、加工和安装难度大、运行风况复杂、控制系统复杂、易污染等特殊性，更容易引起失谐问题。这些问题可归结为一个关键科学问题：认识与分析、减少或利用那些具有高度敏感性的失谐因素对风力机高效稳定运行的影响。.围绕这一科学问题，本项目建立了基于自由涡方法的风轮非定常气动特性数值模拟方法。研究了剪切风、偏航风和偏航剪切风对风轮气动特性的影响，以及叶片桨矩角偏差造成的风轮气动力变化。通过给定风轮桨矩角和偏航速度的变化时序，研究了变桨偏航过程中风轮气动力变化规律。还研究了阵风和极端风切变过程中，风轮气动、气弹特性与机组变桨、变速控制之间的相互作用，为风力机的安全、稳定运行提供了参考依据。.在失谐的敏感性分析方面，采用了基于非嵌入式概率配置点法对风轮失谐敏感性进行了分析，以2.5MW风力机DF90为对象研究了由于风力机叶片安装角的随机误差而导致的失谐问题。将风力机的某一叶片安装角作为随机变量，讨论此失谐叶片对流场及风力机气动特性产生的影响。结果表明，由于安装角误差导致的失谐叶片会影响其上下游叶片绕流场，且对下游叶片绕流场的影响更明显。安装角的正负偏差引起的叶片载荷变化幅度具有不对称性，且失谐叶片的自身载荷变化方向与其上下游叶片载荷变化方向相反。.采用基于CFD/CSD全三维流固耦合计算方法对偏航风速下风力机风轮进行了模拟，以NREL Phase VI风力机为研究对象，比较7m/s轴向均匀来流和7m/s偏航角30°条件下双向流固耦合的特性，在偏航风速下风轮载荷和叶片变形呈周期性震荡，但耦合作用对风轮整体载荷及其振幅影响较小；耦合作用使内叶展扭角减小，载荷增加；外叶展扭角增大，载荷减小，从而减小了轴向载荷极值；风轮旋转平面内，叶片载荷极值方位角与风速极值方位角不对应。