运用修正的叶素-动量理论和有限元方法,建立了一种全新的考虑气动弹性的风力机叶片性能分析方法.运用该方法,在多种风速工况下对某850 k W风力机叶片的性能进行了计算,结果表明:对于大功率风力机,在大风速大载荷工况下,气动弹性对风轮性能有明显的影响,使叶片偏离原设计值.该方法的运用对于叶片的气动设计、载荷计算和结构设计有实际指导意义.
针对气动弹性对风力机性能的影响,引入叶片受载时的扭转角,建立了考虑气动弹性的风力机空气动力学模型。在此基础上,提出了以额定风速下风能利用系数为目标的优化模型,优化模型中将叶片的弦长和扭角分布作为设计变量,并考虑了气动弹性对风力机叶片性能的影响,以850 k W风力机叶片作为参考叶片,运用改进的遗传算法对其进行优化设计,结果表明:相比参考叶片,优化后的叶片的最大风能利用系数得到提高,同时,在叶片质量减小的前提下,风力机的输出功率得到提高,最高达23 k W。该设计方法为设计出高性能低成本的风力机叶片提供了理论依据。
为了同时提高风力机大厚度翼型的气动性能和叶片的截面刚度,基于风力机翼型泛函集成理论和复合材料力学理论,提出了一种大厚度钝尾缘翼型优化设计方法,并建立了优化设计模型。该模型以翼型的气动性能最佳为设计目标,以叶片的最小截面刚度为约束条件,为某850 k W叶片(该叶片40%相对厚度处为DU00-W2-401翼型)优化设计了一种同厚度的新翼型—CQU-B-400。与DU00-W2-401相比,新翼型在光滑和粗糙条件下,气动性能均有较大提高;使用CQU-B-400翼型后,叶片的尾缘强度得到加强,叶片截面的挥舞刚度和摆振刚度也有一定的提高,表明新翼型能同时提高叶片的气动和结构性能。结果验证了所提出的大厚度翼型设计方法的可行性。
针对现有850 k W风力机叶片,分析其材料、结构及铺层状态,对比传统叶片有限元模型,将描述叶片主要结构的弦长、扭角采用分段函数形式表达,采用MATLAB编程并结合ANSYS二次开发建立风力机叶片参数化几何模型.基于动量-叶素理论的BLADED软件计算叶片各截面处的极限载荷,并于叶片分段施加载荷增量.动力学分析得到叶片前三阶挥舞和摆振频率及一阶扭转频率,其与实测固有频率比较,分析并验证叶片于共振区外运行.静力分析得到叶片挥舞位移及关键部位应力分布,通过最大应力准则和蔡-胡(Tsai-Wu)准则对翼面进行强度校核(其他部位同理校核),表明叶片在极限状态下仍能保持安全运行.该研究描绘了叶片主要力学性能,为叶片进一步优化奠定了基础.
