气弹剪裁设计对风电叶片颤振稳定性的影响研究

There are two urgent problems need be solved on the large scale of blade: blade mass increasing and flutter speed decreasing. The applicant and his research team propose a large thick-blunt trailing edge (LT-BTE) blade, which can decrease the balde mass efficiently. Therefore, studying the aeroelastic coupling characteristics about this kind of blade, and analyzing the dissimilarities between them with the traditional sharp trailing edge blade, are meaningful. This application will use the folowing technical means: analysis of blade aeroelastic tailoring design parameters-numerical solution of blade aeroelastic coupled model-analysis of blade segment moving characteristics analysis-experimental design of airfoil section-analysis of the experimental data about airfoil section-analysis and comparison of blade aeroelastic stability. The research contents are as follows: 1) relationships and influence characteristics between aeroelastic tailoring design parameters and balde structural characteristics 2) aeroelastic coupling properties for LT-BTE blade at different partition. 3）aeroelastic coupling mechanism and aeroelastic stability characteristics of LT-BTE blade. By establishing a new experimental platform for simulating the aeroelastic response process for the typical airfoil section from the blade, and building the relationship between the flow field around the airfoil section and balde aeroelastic stability, the aeroelastic coupling mechanism about LT-BTE blade will be explored. The influence properties of the different aeroelastic tailoring design parameters to the blade flutter stability and the dissimilari of the corresponding characteristics between the LT-BTE blade and the traditional sharp trailing edge. These will provide theoretical guidance for designing large scale blade.

叶片大型化存在两个亟待解决问题：叶片质量增加和颤振速度降低。申请人及其研究团队提出一种大厚度钝尾缘叶片能够有效降低叶片质量。因此，研究此类叶片的气弹耦合特性，分析其与传统尖尾缘叶片异同具有重要意义。本项申请拟采用以下技术路径：叶片气弹剪裁设计参数分析-叶片气弹耦合模型数值求解-叶段运动特性分析-翼段实验方案设计-翼段实验数据分析-叶片气弹稳定性分析与对比，开展如下研究内容：1）气弹剪裁参数与叶片结构特性之间的表征关系和影响特性2）大厚度钝尾缘叶片不同叶片分区的气弹耦合特性分析。3）大厚度钝尾缘叶片气弹耦合机理及气弹稳定性特性。通过建立新的模拟叶片中典型翼段气弹耦合响应过程的实验平台和翼型流场特征与叶片气弹稳定性的表征关系。探索大厚度钝尾缘叶片的气弹耦合机理，分析不同剪裁设计参数对大厚度钝尾缘叶片以及传统尖尾缘叶片的颤振稳定性影响规律和异同，为大型叶片设计提供理论指导。

载荷和气弹稳定性对与未来大型叶片设计至关重要，气弹剪裁设计方法能够有效降低叶片载荷，但其对叶片气弹稳定性的影响还不明确，需要系统深入研究。针对此问题，本项目首先建立了叶片截面刚度表达式，计算结果表明纤维方向角的增大将导致截面弯扭耦合刚度增加，同时降低叶片的挥舞刚度和摆振刚度。首次开发了叶片刚度的指向性设计方法，此方法能在实现目标设计刚度前提下尽可能减少截面质量，具有重要的产业应用价值。其次，本项目建立了大厚度钝尾缘叶片高精度气弹响应分析模型，研究表面叶尖部分的气弹耦合效应最强，且气弹耦合效应将导致叶片产生功率损失。为减少此损失，提出了一种新的功率损失补偿模型，计算表明此模型相对于新近提出的预扭角算法，在减少功率损失和降低推力系数方面性能更优，为未来大型叶片的性能提升提供了一种有效方法。然后，本项目采用基于PSO算法的系统识别技术从整机角度构建了叶片气弹稳定性分析模型，对不同运行条件下的叶片阻尼进行计算，发现主谐阻尼随转速的单调变化特性，但超谐阻尼的变化没有表现出单调性。且随着转速提高，超谐参与因子与主谐非常接近，对叶片的气弹稳定性愈加重要，需要进一步分析。同时，叶片的分区研究表明，叶尖部分对叶片气弹稳定性影响最强。因此，以叶尖部分的21%厚度翼型为研究对象，采用Theodorsen非定常气动力理论从翼段角度构建了叶片气弹稳定性分析模型，分析表明气弹剪裁参数变化导致的弯曲频率变化对叶片颤振速度基本无影响。扭转频率变化将导致叶片颤振速度剧烈变化，且扭转频率越高其颤振速度越大。但当弯曲频率和扭转频率不断接近时，颤振速度将持续降低，这些特性对于未来大型叶片的颤振抑制设计提供了有效指导。最后，本项目以21%翼型为实验对象，搭建了能够考虑弯扭耦合的气弹实验平台。实验结果表明，为降低颤振对叶片结构的破坏，在设计时应适当提高结构刚度，并尽可能使叶片运行在小攻角区。