风速对大型海上风力机的气动弹性影响研究

风速对大型海上风力机的气动弹性影响研究
摘要：海上风力机是未来风电技术发展的重要方向。

通常海上风力机风轮尺度
较大、叶片弹性特征明显，这给风力机的气动弹性分析带来了极大挑战。

利用BEM气动力计算模型及模态叠加结构动力计算模型构建了大型海上风力机气动弹
性分析模型，该模型具有计算效率高、计算结果准确的特征。

利用该模型对不同
风速条件下NREL 5MW海上风力机的气动弹性特征进行了计算和分析。

结果显示，风力机的叶尖位移与风速条件直接相关，呈周期性特征。

风速越高风力机功率波
动频率越低。

关键词：大型海上风力机；气动弹性；BEM；模态叠加模型
0 研究背景
海上风力机为海上风能利用提供了有效的手段。

根据“十三五”规划，海上风
能资源的开发，将成为未来风能利用的重要发展方向。

目前海上风力机技术仍处
于发展过程中，部分海上风电强国已拥有部分示范工程，如挪威Hywind项目、
葡萄牙WindFloat项目等。

此外，近年来日本在海上风电技术领域投入较大，且
已逐步形成海上风力机设计能力[1]。

海上风力机具有单机高功率等特点，通常设计为5MW-20MW[2]，相应的风
力机的风轮半径将大幅增加。

在海上复杂的环境下，气动力、波浪作用力、结构
作用力等将形成复杂的耦合作用力体系，给海上风力机的结构响应分析带来了极
大的困难。

本文通过动量叶素理论（BEM）计算风力机的气动力，采用模态叠加理论对NREL 5MW海上风力机进行了计算。

对风力机的气动力特征及气弹耦合特性进行
了系统地讨论。

1气动力计算BEM模型
复杂条件下风力机气动性能的求解是分析风力机气动弹性特征的关键。

BEM
理论模型将风力机叶片沿展向划分为多个独立的控制单元，假设相互单元之间的
流场并不存在气动干扰，从而将三维问题化简为二维问题。

极大地提高了计算效率，为风力机的气动弹性响应分析提供了条件。

通过将动量理论与叶素理论耦合并迭代求解，可获得当前翼型条件下的轴向
及周向诱导因子和的量值，进而确定当前翼型的作用力。

在此基础上将各控制
单元的受力沿展向积分即可获得叶片的整体气动特性。

2结构动力学计算模态叠加模型
风力机结构动力学计算模型整体上可以分为模态叠加法、多体动力学计算方
法及有限元分析方法。

其中模态叠加法通过将叶片的各阶振型乘以响应系数后叠
加起来计算其动力学响应，具有快速、高效等特征，是目前风力机气动弹性分析
使用的主要方法。

本文基于广义作用力方程，利用Duhamel积分可以求得叶片运
动数值解，再将各阶模态对应的广义位移转换到物理空间可以得到以下位移结果：。