多兆瓦级海上风力机叶片的非线性振动与控制

Wind turbine blades are considered to be the key component of the wind turbine system. Their performance and reliability directly influence the whole performances of the wind turbine system. With the development of wind power industry from onshore wind to offshore wind in recent years, the wind turbines have been developed from megawatt(MW) to multi-megawatt. Super-large wind turbines have heightened requirements on structrue and dynamic characteristics of the wind turbine blades. It is important to study the nonlinear vibration and control of the multi-MW offshore wind turbine blades for improving their reliability, safety and service life. This project will investigate the multi-coupling dynamic modeling, nonlinear structural dynamic response, aeroelastic stability and active flutter suppression of the offshore wind turbine blades under interaction of the aerodynamic, structural dynamics,ocean environment loads and inertia forces. The aims of this project are to reveal the nonlinear vibration patterns and couping mechanism of the blade under multi-coupling interaction, determine the key factors that influence the aeroelastic coupled flutter and stall flutter of the blade, and develop a flutter active control technology of blades based on smart materials. The research results will provide theoretical and technical guidance for optimization design and vibration control of offshore wind turbine blades.

风力机叶片是风力发电系统的关键部件，其良好的结构和气动特性是整个机组实现长期安全高效运行的前提。近年来，随着风电行业从陆上风电向海上风电发展，主力机型从兆瓦级发展到了多兆瓦级。风电机组的超大型化对叶片的结构和动态特性提出了更高的要求。本课题以多兆瓦级海上风力机叶片的非线性振动与控制为研究对象，通过对海上风力机叶片的多场耦合动力学建模、非线性结构动态响应特性、气弹稳定特性、颤振主动控制等进行系统研究，揭示叶片在空气动力、结构动力、海洋环境载荷及惯性力耦合作用下各种非线性振动现象发生的规律及其相互转换的条件和机理，确定影响大型海上风力机叶片气弹耦合颤振和失速颤振等非线性振动产生的关键因素，发展基于智能材料的叶片颤振主动控制技术。为海上风力机叶片的优化设计提供理论和技术支撑，同时为消除和预防由颤振等非线性不稳定振动引发的叶片结构疲劳破坏事故提供新的参考方法。

风力机叶片是风力发电机组的关键部件，其良好的结构和气动特性是整个机组实现长期安全高效运行的前提。本项目主要对兆瓦级海上风力机叶片的多场耦合动力学建模、非线性结构动态响应特性、气弹稳定特性、颤振主动控制等进行研究，为海上风力机叶片的优化设计提供理论和技术支撑，同时为消除和预防由颤振等非线性不稳定振动引发的叶片结构疲劳破坏事故提供新的参考方法。将海上兆瓦级风力机复合材料叶片等效为一个受定轴转动与基础激励联合作用的复合材料层合结构梁，建立了基础激励下旋转运动复合材料层合结构梁的非线性动力学方程，为海上风力机复合材料叶片的动力学分析提供了一个较完整的理论模型；研究了结构参数对叶片模态特性和气动载荷的影响规律，获得了风力机叶片的动力学设计优化参数，为多兆瓦级风力叶片的动力学优化设计及性能评估提供了参考方法；分析了大型风力机叶片在气动载荷作用下的动力响应特性，基于谐响应分析了不同铺层角对叶片结构动力响应特性的影响；以提高叶片的气动性能和减低噪声为设计目标，对风力机叶片翼型进行优化设计，仿真评估了优化前后叶片的气动和噪声性能；提出基于多频简谐激励的叶片裂纹无损检测方法，开发了海上风力机在线振动状态监测系统；研究了基础平台运动，以及风切变和塔影效应对风力机输出功率的影响规律，为风资源评估和风场运维提供参考依据；基于多目标优化设计方法，对塔架结构进行动力学优化设计分析，以改善风力机组塔架的动态特性。本项目取得的主要研究成果包括：在国内外期刊发表学术论文15篇，其中SCI收录期刊论文7篇；申请发明专利6项，获发明专利授权2项，申请获得软件著作权2项；培养硕士研究生6人，已获学位5人。