文档介绍：振动与冲击
第卷第期
水平轴风力机叶片的弯扭耦合气弹稳定性研究
任勇生,张明辉
山东科技大学机械电子工程学院,青岛
摘要:研究水平轴风力机叶片的经典颤振稳定性特性。在导出质量刚度均匀分布的旋转挥舞/摆振/扭转叶片
的耦合振动偏微分方程组基础上,引入扩展的模型描述非定常气动力的作用。联合采用法、特征值
法和时间域积分法对所建立的叶片气弹模型进行求解。通过数值分析获得叶片的挥舞弯曲模态、摆振弯曲模态和扭转模
态的根轨迹曲线,分析了叶片面内刚度、扭转刚度和预锥角对叶片气弹稳定性的影响。特征值法稳定性的计算结果的精
确度和可靠性通过分析模态展开式中模态截断个数Ⅳ对颤振边界收敛性的影响,得到验证。稳定性分析的时间域数值
积分结果的一致性进一步说明特征值法稳定性计算结果正确性。
关键词:气弹性;风力机叶片;旋转梁;结构动力学;颤振
中图分类号:. 文献标识码:
水平轴风力机叶片的经典颤振与解。分析了叶片面内刚度、扭转刚度和预锥角对叶片
失速颤振—相比,是一类更加气弹稳定性的影响,揭示了水平轴风力机叶片的挥多翠/
强烈的气弹不稳定现象。它的产生与叶片弯曲和扭转摆振/扭转经典颤振特性。
存在耦合有关,这种气弹不稳定表现为叶片按照摆振
基本公式与求解方法
固有频率进行挥舞/摆振/扭转的耦合振动。经典颤振
是主要出现在飞机机翼上的气弹不稳定性。虽然目前水平轴风力机叶片的挥舞弯曲/摆振弯曲/扭转耦
还没有风力机叶片发生经典颤振的报道,但是由于大合振动线性偏微分方程组,可以采用两种途径获
型水平轴风力机叶片具有展向较长和刚度较低的特得:①根据叶片的截面轴向应变方程和正应力,求
点,经典颤振问题成为叶片动力学研究的一个重要的得截面弯矩、扭矩,由叶片微段的动力平衡方程得到;
方面。颤振分析一般涉及弹性叶片的复杂结构特征与②导出叶片动能、势能和外力功的表达式,根据—
叶片周围非定常气流场特征的描述以及二者之间相互原理得到。
耦合机理的分析,因此,叶片颤振边界的预测和颤振特
性的分析是一项非常困难的工作。迄今为止关于水平
轴风力机叶片颤振研究十分有限。。在已有的研究
报道中,为了简化颤振分析,对叶片结构特征的描述多
采用简单的典型截面模型。文献虽然基于叶
片的弹性方程和非定常气动力模型研究经典颤
振特性,但是仅限于静止风速下的旋转叶片。文献
基于叶片方程研究挥舞/摆振叶片的颤振行为,
但其研究的重点是挥摆振叶片的动力失速特性,而
图叶片坐标系和变形示意图
不涉及经典颤振问题。迄今为止,基于弹性理论建立
.
的连续分布参数叶片的经典颤振分析尚不多见。文献
基于弹性叶片微分方程和拟定常叶素气动力模型, 为了建立水平轴风力机叶片的动力学方程,所采
研究叶片经典颤振问题,但是由于气动模型以及单模
用的坐标系以及叶片的变形示意图,如图所示。假
近似求解方法的局限性,尚无法深入揭示叶片经典颤
定叶片的质量中心轴、轴向力轴和气动力中心与弹性
振的机理。本文从严格的挥舞/摆振/扭转叶片耦合振
轴一致,并且不考虑叶根固定端与叶轮旋转中心之间
动偏微分方程组出发,引入扩展的模型描
的偏离以及变矩角的影响。在一阶近似下,实心截面
述非定常气动力的作用