[发明专利]一种风力发电机叶片翼型颤振的预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种颤振预测技术，特别涉及一种风力发电机叶片翼型颤振的预测方法。

背景技术

近年来，能源危机的情况日趋严重，已经逐渐得到重视。作为清洁能源和可再生能源的代表，风能在全球范围内得到迅猛的发展，在世界能源中所占的比重也越来越重。作为关键部件之一，风力发电机叶片的尺寸规模也越来越大，目前叶片长度已经达到100米左右。对于这种大规模的风力机叶片，在空气和弹性结构之间会出现耦合作用，这种耦合作用属于气动弹性范畴。风力机叶片部分在气动弹性的作用下，容易出现气动弹性不稳定亦即：颤振。颤振现象起源于航空工业，是一种重要又极其难于预测的气弹现象，属于一种不稳定的自激振动现象。颤振时叶片从气流中汲取能量，并且不断增大，常常导致结构灾难性的破坏。例如：导致风力机总体结构的破坏或者风力机叶片与塔座之间的严重碰撞。更严重的情况是可能会直接对风电并网的稳定性产生巨大的影响。国内外，已经有若干大型风力机叶片在风速较大的情况下被破坏的实例。但是目前还难以对风力机颤振进行较准确的预测。

为了进一步研究风力机颤振的基础，需要对风力机叶片翼型进行颤振控制及分析，希望在叶片设计之初就能对颤振进行有效的抑制。因此对风力发电机叶片翼型颤振边界的预测和分析就显得至关重要。传统的几种经典的叶片颤振发作判据方法主要有经验预测法、能量判据法、特征值判据法和劳斯-赫尔维茨判据法。其中，特征值判据法由于具有物理意义明确、计算量小等显著的优点而常被人们作为主要的叶片颤振判据方法。但是，特征值判据法得到的结果只是叶片颤振的大致区间，想要得到叶片颤振发作的准确区间，以及在该颤振区间内的具体颤振发生幅度和变化情况，仅仅靠特征值法是难以奏效的。

时域分析方法也是比较常用的叶片颤振分析方法，但是这种方法仅仅是得到特定参数下的叶片的气动弹性响应曲线，若要获得颤振区间需要非常多次的尝试。

发明内容

本发明是针对现没有得到风力发电机叶片具体的颤振区间的方法问题，提出了一种风力发电机叶片翼型颤振的预测方法，将特征值法与时域分析法合理相结合的预测方法，以对风力发电机叶片的颤振区间进行准确的预测。

本发明的技术方案为：一种风力发电机叶片翼型颤振的预测方法，具体包括如下步骤：

首先采用特征值法初步预测颤振区间：

1）选定翼型、确定叶片各项结构参数；

2）建立二维叶片翼型的气动弹性方程；

3）求气动弹性方程中的气动力和气动力矩：将气动力和气动力矩用气动刚度系数和气动阻尼系数进行表达；

4）通过叶片翼型气动系数表查表或拟合，得到叶片翼型的升力系数和阻力系数，及其对攻角的变化率；

5）设定叶片设计过程中需要关注的叶尖速比范围，同时设定叶尖速比的求解步长；

6）求解气动刚度系数和气动阻尼系数：在叶尖速比的设计范围内根据求解步长确定叶尖速比，在改进动量叶素理论的基础上，对轴向诱导因子和周向诱导因子进行迭代，一直到得到满足所设定误差要求的两个诱导因子，从而求得叶片翼型的气动刚度系数和气动阻尼系数；

7）建立并求解特征方程：建立与二维叶片翼型气动弹性方程对应的特征方程并对其进行求解，从而得到特征值实部随叶尖速比变化的曲线；

8）获取叶片翼型的颤振区间；通过判断特征值实部的正负号判断是否出现颤振，若出现正号，则系统不稳定，即出现颤振；若出现负号，则系统发生颤振，因此，在7）中的曲线中，特征值实部为正的部分所对应的叶尖速比的范围即为选定的叶片翼型的颤振区间（以叶尖速比范围表示）；

9）微调叶片翼型的颤振区间：通过修改叶尖速比的求解步长，可以实现对叶片翼型的颤振区间进行微调；

然后采用时域分析法详细预测颤振区间：

10）选取叶片挥舞的初始位移、初始速度以及叶片扭转运动的初始角位移和初始角速度，选择初始较小的数值；

11）直接以特征值法初步预测的颤振区间作为时域分析法的叶尖速比范围；

12）选定区间中叶尖速比，采用改进动量叶素理论对轴向诱导因子和周向诱导因子进行迭代，从而求得叶片翼型的气动刚度系数和气动阻尼系数；

13）利用龙格库塔数值计算方法迭代求解叶片翼型气动弹性方程的响应，从而得到挥舞位移、挥舞速度以及扭转角位移、扭转角速度、扭转角加速度的响应；

14）根据气动弹性响应是否发散判别是否发生颤振，根据响应曲线的发散程度判别颤振发生的剧烈程度，同一参数下的一组曲线只要有一个出现发散，就说明在这个参数下，叶片翼型发生了颤振。