考虑叶片柔性变形的风力机气动弹性问题研究

风力机是承受复杂随机载荷的动力系统，其动态气动弹性问题涉及随机动态气动力与结构动力响应之间的相互作用，是一个含大气边界层湍流风场、风轮动态空气动力学、叶片及机组结构动力学的多学科交叉问题。目前一般采用的分析方法是应用以叶素动量理论（BEM）为基础的动态气动分析方法得到气动载荷，建立结构动力学响应模型分析随机气动载荷作用下的结构动态响应及气动弹性载荷，但不考虑结构变形对动态气动力的反馈作用。由于风电机组的大型化，叶片柔性化已成为风力机技术的发展方向，充分考虑结构动态响应对气动力的反馈成为气动弹性载荷分析必须解决的问题。申报项目拟利用在风力机动态气动与结构响应分析方面取得的前期成果，建立风轮结构动力响应的模态分析法（MAM）模型，充分考虑叶片结构动态响应及变形对动态气动力的反馈作用，实现流固耦合分析，对考虑叶片柔性变形的风力机气动弹性问题进行系统研究，以求解决柔性长叶片的气动弹性载荷分析问题。

随着风电机组大型化发展，风力机叶片柔性化引起的气动弹性问题日益突出。本项目开展了考虑叶片柔性变形的风力机动态气动特性研究，深入研究柔性叶片结构动态响应对气动力的反馈作用，探明叶片柔性变形对动态气动特性型的作用机理及分析方法，明确在什么情况下必须考虑结构变形对动态气动性能的反馈，并建立风力机柔性长叶片和动态入流的气弹耦合动力学分析模型，得到气弹耦合作用下柔性长叶片的气动弹性载荷和结构动态响应。本项目首先利用项目组在风力机动态气动特性与结构响应分析方面取得的前期成果，建立柔性风轮结构动力响应的模态分析（MAM）模型，深入分析了随机气动载荷作用下的柔性叶片气动弹性载荷及结构动态响应。然后综合考虑影响风力机气动性能的各种关键因素，加入了柔性叶片变形对动态入流模型的反馈，建立了考虑柔性风轮结构变形反馈的动态入流模型。进而利用考虑柔性结构反馈的精确动态入流模型，进一步研究分析柔性叶片在气弹耦合作用下的气动弹性载荷和结构动态响应。本项目通过理论研究和风场实验，建立了充分考虑柔性叶片结构动态响应及变形对动态气动力的反馈作用的气弹耦合模型，对风力机柔性叶片的动态气动特性以及气动弹性载荷和结构动态响应进行系统研究，实现相应的分析算法并开发相应的分析软件，为新一代大型、柔性风电机组的自主设计提供理论和分析方法的支撑。