后掠型风电叶片流动-气动-结构耦合演化机制探索

The large-scale development trend of wind turbines has put forward higher load-reduction demand for blade design. Swept blades, which are capable of reducing loads passively by adaptive bend-twist coupling, have attracted worldwide attention in recent years. The aero-structural coupling mechanism behind the effect of blade sweep on aeroelastic stability and wind turbine loads are still not clear at present. This proposal intends to develop the aeroelastic experimental apparatus to simulate the aeroelastic deformation of swept blade by two degrees of freedom (pitch and plunge) elastic oscillation of swept blade elements based on similarity criteria firstly. Secondly, based on the aeroelastic experimental method, it is planned to focus on the flow-aerodynamic-structural coupling evolution and investigate the effect mechanism of swept angle on the aeroelastic stability and load responses. Finally, it is planned to develop the aeroelastic numerical method appropriate for swept blade based on sweep improved vortex lattice method, and geometrically exact beam model, and validate and improve the aeroelastic numerical method by experimental results. Two key issues will be investigated and they are: the effect mechanism of swept angle on aeroelastic stability, and the effect mechanism of swept angle on load responses. The investigation achievement will establish the theoretic foundation for aeroelastic stability design and load-reduction optimization design of swept blades, and provide the scientific method for further improvement of the blade design system.

风电机组大型化发展趋势对叶片设计提出了更高的降载需求，后掠叶片通过自适应弯扭耦合变形可实现被动降载，近年来引起了广泛关注。目前后掠叶片气弹不稳定现象及降载作用所蕴含的气动与结构耦合机制尚不清晰。本项申请拟首先依据相似准则以后掠叶段俯仰和沉浮两自由度的弹性振荡运动模拟后掠叶片气弹变形过程，建立风洞气弹实验平台；其次，以实验研究为主，聚焦流动结构-气动载荷-结构变形耦合演化过程，探究叶片后掠对气弹稳定性和气动载荷响应的影响机制；最后，基于后掠修正型涡格法的气动模型和几何精确梁的结构模型，建立适用于后掠叶片的气弹数值方法，并在实验研究基础上，对建立的气弹数值方法验证和改进。拟解决：后掠角对气弹稳定性的影响规律及其作用机制，后掠角对气动载荷响应的影响规律及其作用机制两个关键科学问题。预期研究结果将为后掠叶片气弹稳定性设计和降载优化设计建立理论基础，为叶片设计技术体系的进一步完善提供科学方法。

风力发电机组的大型化发展趋势使得叶片载荷急剧增大，从而在一定程度上影响了大型机组的经济性与安全性能，亟需发展创新性的载荷控制方法。后掠叶片作为一种自适应被动降载技术，近年来受到广泛关注。它的控制思想是利用叶片的几何外形来实现弯扭耦合，在变形的过程中降低有效攻角从而实现载荷的降低。目前后掠叶片运行过程中气动力的演化特征及展向特性和气弹稳定性问题尚不十分清晰。.由于不可控性和高昂的成本，全尺寸叶片外场实验仍然面临诸多挑战。为此，本项目基于风洞环境，经过合理简化，以风力机专用翼型DU93-W-210为研究对象，设计了二自由度叶段风洞实验平台，通过表面测压等手段开展了叶段的气动实验和气弹实验，并围绕后掠及其它结构参数对叶段气动特性和气弹特性的影响规律进行了分析和讨论。.在静态气动实验研究中，分别考察了后掠对叶段展向流动特性、雷诺数效应以及静态迟滞效应的影响，为项目的研究工作奠定了基础。通过后掠叶段不同展向位置的压力分布可以发现，对于从尾缘开始分离的风力机翼型，后掠叶段具有显著的三维流动现象，随着攻角增大，后掠叶段的表面流动先后经历了均匀附着流、混合分离流和完全分离流三个阶段。.在动态失速实验研究中，探讨了后掠及俯仰振荡参数对叶段动态失速特性的影响规律。结果表明，后掠叶段的动态失速程度具有明显的展向差异。在轻失速区，后掠叶段的迟滞效应从上游到下游截面逐渐增强。相对于直叶段，后掠在一定程度上减小了叶段的动态失速程度，并增大了气动阻尼，从而提高了稳定性。.在气动特性研究的基础上，本项目提出了一种气弹相似参数Ae，并采用刚性叶段和弹性支撑的方法来模拟柔性叶片的气弹响应，探究了结构刚度、扭心位置及后掠对叶段气弹特性的影响。实验中共发现了4种气弹响应类型，分别为静平衡、负失速颤振、衰减振荡和正失速颤振，并通过气动力演化历程和相平面分析揭示了各自的物理特征。