水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片的非線性動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、能源對(duì)于人類(lèi)社會(huì)的生存與發(fā)展的重要性是眾所周知的，而就目前的形式來(lái)看，全世界都面臨著能源枯竭和能源結(jié)構(gòu)不合理的問(wèn)題。一方面，各國(guó)都在尋求能源，在世界各地展開(kāi)了競(jìng)爭(zhēng)；另一方面，污染的能源已經(jīng)對(duì)全球的生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞。人們急需尋求儲(chǔ)藏量大又清潔的能源，在這種情況下，可再生能源就越來(lái)越引起人們的重視。作為可再生能源形式的風(fēng)力發(fā)電，不但清潔無(wú)污染，而且是可再生能源發(fā)電技術(shù)中最為成熟和最具規(guī)模開(kāi)發(fā)條件的發(fā)電方式之一，已受到世界各國(guó)的歡迎。

2、20世紀(jì)70年代以后，風(fēng)能的開(kāi)發(fā)和利用受到各國(guó)的重視。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)能利用中占有最主要的地位，而葉片則是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心部件。葉片具有展向長(zhǎng)、弦向短的特點(diǎn)，受力很復(fù)雜，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中受氣動(dòng)力、彈性力和慣性力的耦合作用。劇烈的振動(dòng)可能會(huì)加速葉片材料的疲勞，減少其有效壽命，甚至于導(dǎo)致葉片的斷裂，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)風(fēng)機(jī)葉片振動(dòng)問(wèn)題的研究就越來(lái)越重要。 本課題主要研究了不同風(fēng)速下水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片的非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)

3、題。主要研究?jī)?nèi)容和成果有以下幾方面。 (1)將水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)葉片簡(jiǎn)化為做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的柔性旋轉(zhuǎn)懸臂梁，同時(shí)考慮葉片的氣動(dòng)力、彈性力和慣性力，建立了脈動(dòng)風(fēng)速作用下水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片的非線性動(dòng)力學(xué)模型，利用牛頓定律建立了轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系下葉片的動(dòng)力學(xué)方程，并利用Galerkin離散方法將系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)偏微分方程離散為常微分方程。 (2)針對(duì)－1/2亞諧共振－1：3內(nèi)共振情形，考慮到方程中存在二次非線性項(xiàng)，采用漸進(jìn)攝動(dòng)法對(duì)該方

4、程進(jìn)行攝動(dòng)分析，將其轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)下的平均方程。通過(guò)數(shù)值模擬，得到這種共振情況下的二維相圖、三維相圖、波形圖和頻譜圖，分析了風(fēng)速的變化對(duì)旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)的影響。 (3)研究－1/2亞諧共振－1：2內(nèi)共振情形的非線性動(dòng)力學(xué)，用漸進(jìn)攝動(dòng)法對(duì)系統(tǒng)的非線性運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行攝動(dòng)分析，得到直角坐標(biāo)形式的平均方程。利用數(shù)值模擬方法研究此種共振情況下的二維相圖、三維相圖、波形圖和頻譜圖，分析了風(fēng)速的變化和葉片轉(zhuǎn)動(dòng)角速度擾動(dòng)量的幅值對(duì)旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)的影響。

5、 (4)通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)在兩種共振情況下，系統(tǒng)都存在倍周期運(yùn)動(dòng)、概周期運(yùn)動(dòng)及混沌運(yùn)動(dòng)，并且會(huì)隨著控制參數(shù)的增大而重復(fù)呈現(xiàn)周期運(yùn)動(dòng)、混沌運(yùn)動(dòng)、周期運(yùn)動(dòng)的變化規(guī)律。數(shù)值結(jié)果表明當(dāng)僅改變平均風(fēng)速時(shí)，隨著平均風(fēng)速的增大，風(fēng)機(jī)葉片系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)單倍周期到多倍周期，概周期運(yùn)動(dòng)到混沌運(yùn)動(dòng)交替出現(xiàn)的情況；當(dāng)僅改變脈動(dòng)風(fēng)速的幅值時(shí)，隨著脈動(dòng)幅值的增大，風(fēng)機(jī)葉片系統(tǒng)呈現(xiàn)概周期到混沌運(yùn)動(dòng)，單倍周期運(yùn)動(dòng)到多倍周期運(yùn)動(dòng)交替出現(xiàn)的情況；當(dāng)平均風(fēng)速與脈動(dòng)風(fēng)速的幅