CN113945357B - 一种风力机叶片颤振临界风速预测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种风力机叶片颤振临界风速预测方法及装置，其中方法包括以叶根二分量反力Fy和Mx为目标时程变量，根据叶根反力颤振判定准则，构建叶片颤振临界状态表达式；构建目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的表达式；计算目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率；获取目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率的最大值对应的叶根二分量反力颤振指标，以得到风力机叶片颤振临界风速。本发明测力试验测得的模型基底荷载，保证了模型有足够的刚度，在受到风力作用时，不会产生较大的变形，将荷载较为真实地传递到基底，以反映真实情况。测点即为风力机叶片根部，其测点布置及捕捉简单、受外力干扰性弱且测量精度高。

Description

一种风力机叶片颤振临界风速预测方法及装置
技术领域
本发明属于风力机叶片防颤振设计技术领域，尤其涉及一种风力机叶片颤振临界风速预测方法及装置。
背景技术
随着风电机组朝着超大功率发展，风力机叶片也朝着超长柔细化演变，在空气和弹性结构之间会出现耦合作用。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。传统的风力机叶片颤振预测方法，如多参数法、变形激盘法和特征值法等，对于大型风力机叶片这种流场中存在众多非线性、非定常因素以及结构承受复杂负荷的结构很难做到准确预测。因此，建立有效的超长柔性叶片颤振临界风速预测方法具有重要的理论和应用价值。
目前针对风力机叶片颤振预测的研究多采用数值模拟方法，其颤振预测分析方法主要有频域和时域分析。频域分析以Hansen提出的基于多叶片坐标变换计算方法最为典型，通过坐标变换改进算法求解特征值来求解风力机叶片颤振临界转速，但其简化了气动模型并忽略了流体与结构耦合，很难精准预测颤振临界状态。时域分析方法基本思路是，通过希尔伯特黄变换提取逐增风轮转速叶尖幅值突增的扭转或弯曲模态对应的时程及其包络线判断风力机叶片是否发生颤振，但其只考虑风力机叶片一阶模态，忽略了高阶模态的影响。气弹模型风洞试验是研究颤振性能的最有效手段之一，但由于风力机叶片翼型不规则，其截面、刚度、质心等沿展长不规则分布使得其气弹模型设计难，又因缩尺模型尺寸小但变形大，其测点布置及捕捉难、干扰性强且测量精度低。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种风力机叶片颤振临界风速预测方法及装置。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种风力机叶片颤振临界风速预测方法，所述方法应用于根据相似准则建立的风力机叶片完全气弹模型；
采用高频六分量天平对风力机叶片完全气弹模型进行全风向角测力风洞试验，得到叶根测力数据，所述测力数据包括叶根x轴方向力的载荷Fx、叶根y轴方向力的载荷Fy、叶根z 轴方向力的载荷Fz、绕x轴的加载的力矩Mx、绕y轴的加载的力矩My以及绕z轴的加载的力矩Mz；
所述方法包括：
以叶根二分量反力Fy和Mx为目标时程变量，构建叶片颤振临界状态表达式，作为叶根反力颤振判定准则；
构建目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的表达式；
计算目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率；
获取目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率的最大值，作为叶根二分量反力颤振指标，以得到风力机叶片颤振临界风速。
进一步地，所述以叶根二分量反力Fy和Mx为目标时程变量，根据叶根反力颤振判定准则，构建叶片颤振临界状态表达式，作为叶根反力颤振判定准则，包括：
构建叶片颤振临界状态表达式为：
γ·δ≥[δ]；
其中，γ为风力机叶片结构重要性系数；δ为风力机叶根二分量反力颤振指标；[δ]为风力机叶片结构颤振反力容许值。
进一步地，所述构建目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的表达式，包括：
构建目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的表达式为：
Figure GDA0003729782470000021
其中，k(a)t为目标时间t内叶根二分量反力的相对标准差；f为叶根二分量反力采样频率； ai为叶根二分量反力在目标时间内的反力样本；
Figure GDA0003729782470000022
为叶根二分量反力在目标时间内的反力样本均值；N为目标时间t内的采样点总数；E(a)为目标时间t内的采样均值。
进一步地，所述计算目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率，包括：
根据以下公式计算目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率：
Figure GDA0003729782470000023
其中，k(a)t为目标时间t内叶根二分量反力的相对标准差；k(a)t+t为k(a)t对应时间后t 时间内的叶根二分量反力的相对标准差；Δ(a)为目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率。
第二方面，本发明提供一种风力机叶片颤振临界风速预测装置，所述装置应用于根据相似准则建立的风力机叶片完全气弹模型；
采用高频六分量天平对风力机叶片完全气弹模型进行全风向角测力风洞试验，得到叶根测力数据，所述测力数据包括叶根x轴方向力的载荷Fx、叶根y轴方向力的载荷Fy、叶根z 轴方向力的载荷Fz、绕x轴的加载的力矩Mx、绕y轴的加载的力矩My以及绕z轴的加载的力矩Mz；
所述装置包括：
第一构建模块，用于以叶根二分量反力Fy和Mx为目标时程变量，构建叶片颤振临界状态表达式，作为叶根反力颤振判定准则；
第二构建模块，用于构建目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的表达式；
计算模块，用于计算目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率；
获取模块，用于获取目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率的最大值，作为叶根二分量反力颤振指标，以得到风力机叶片颤振临界风速。
进一步地，所述第一构建模块包括：
第一构建单元，用于构建叶片颤振临界状态表达式为：
γ·δ≥[δ]；
其中，γ为风力机叶片结构重要性系数；δ为风力机叶根二分量反力颤振指标；[δ]为风力机叶片结构颤振反力容许值。
进一步地，所述第二构建模块包括：
第二构建单元，用于构建目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的表达式为：
Figure GDA0003729782470000031
其中，k(a)t为目标时间t内叶根二分量反力的相对标准差；f为叶根二分量反力采样频率； ai为叶根二分量反力在目标时间内的反力样本；
Figure GDA0003729782470000032
为叶根二分量反力在目标时间内的反力样本均值；N为目标时间t内的采样点总数；E(a)为目标时间t内的采样均值。
进一步地，所述计算模块包括：
计算单元，用于根据以下公式计算目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率：
Figure GDA0003729782470000041
其中，k(a)t为目标时间t内叶根二分量反力的相对标准差；k(a)t+t为k(a)t对应时间后t 时间内的叶根二分量反力的相对标准差；Δ(a)为目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率。
本申请提供一种风力机叶片颤振临界风速预测方法及装置，其中方法包括以叶根二分量反力Fy和Mx为目标时程变量，构建叶片颤振临界状态表达式；构建目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的表达式；计算目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率；获取目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率的最大值，以得到风力机叶片颤振临界风速。本发明测力试验测得的是模型基底荷载，保证了模型有足够的刚度，在受到风力作用时，不会产生较大的变形，将荷载较为真实地传递到基底，以反映真实情况。测点即为风力机叶片根部，其测点布置及捕捉简单、受外力干扰性弱且测量精度高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种风力机叶片颤振临界风速预测方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种风力机叶片颤振临界风速预测装置的结构示意图；
图3为风力机叶片完全气弹模型；
图4为叶根反力法求得的不同桨距角区间下δ-v变化曲线；
图5为不同桨距角区间风力机叶片颤振临界风速示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种风力机叶片颤振临界风速预测方法，所述方法应用于根据相似准则建立的风力机叶片完全气弹模型。如图3所示，基于相似准则进行气弹模型等效截面设计和气弹模型框段/外衣制作，风力机叶片根部形状根据所使用六分量天平的型号对其进行设计。
采用高频六分量天平对风力机叶片完全气弹模型进行全风向角测力风洞试验，高频六分量天平底端与风洞转盘固结，顶端与风力机叶片气弹模型连接，通过采集系统实时测量根部六分力。测点即为风力机叶片根部，其测点布置及捕捉简单、干扰性弱且测量精度高。通过采集系统进行数据收集及处理，得到叶根测力数据，所述测力数据包括叶根x轴方向力的载荷Fx、叶根y轴方向力的载荷Fy、叶根z轴方向力的载荷Fz、绕x轴的加载的力矩Mx、绕 y轴的加载的力矩My以及绕z轴的加载的力矩Mz。
参见图1所示的工作流程示意图，本发明提供一种风力机叶片颤振临界风速预测方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S101，以叶根二分量反力Fy和Mx为目标时程变量，构建叶片颤振临界状态表达式，作为叶根反力颤振判定准则。
本步骤中，为了判断叶片是否发生颤振，构建叶片颤振临界状态表达式为：
γ·δ≥[δ]；
其中，γ为风力机叶片结构重要性系数，可选的，取1.1；δ为风力机叶根二分量反力颤振指标；[δ]为风力机叶片结构颤振反力容许值，可选的，取2.2。
步骤S102，构建目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的表达式。
本步骤中，构建目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的表达式为：
Figure GDA0003729782470000051
其中，k(a)t为目标时间t内叶根二分量反力的相对标准差；f为叶根二分量反力采样频率； ai为叶根二分量反力在目标时间内的反力样本；
Figure GDA0003729782470000052
为叶根二分量反力在目标时间内的反力样本均值；N为目标时间t内的采样点总数；E(a)为目标时间t内的采样均值。目标时间太短，数据不稳定，目标时间太长无代表性，考虑实验数据的稳定性，t可选取3s。
步骤S103，计算目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率。
本步骤中，根据以下公式计算目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率：
Figure GDA0003729782470000061
其中，k(a)t为目标时间t内叶根二分量反力的相对标准差；k(a)t+t为k(a)t对应时间后t 时间内的叶根二分量反力的相对标准差；Δ(a)为目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率，其值要求大于等于0，若小于0，则表示不会发生颤振。
步骤S104，获取目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率的最大值,作为叶根二分量反力颤振指标，以得到风力机叶片颤振临界风速。
本步骤中，目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率的最大值作为叶根二分量反力颤振指标，当指标值大于一定值时所对应的风速为风力机叶片颤振临界风速。
如图4所示，以NREL-15MW风力机叶片为例，根据叶根二分量反力法求得的不同风速下颤振工况(桨距角93°～96°、284°～286°)与抖振工况(桨距角0°～360°)的超长柔性风力机叶片δ-v曲线。所有桨距角下叶根二分量反力颤振指标δ均随着风速的增大逐渐变大；对于颤振工况(桨距角93°～96°、284°～286°)，叶根二分量反力颤振指标δ在颤振临界风速处，存在突增的现象，其叶根二分量反力颤振指标δ随风速变化呈现一种非线性关系；而对于抖振工况(桨距角0°～360°)，其叶根二分量反力颤振指标δ随着风速的增加近似为一阶线性关系。当桨距角区间为93°～96°和284°～286°，风洞风速分别低于5.4m/s和6.0m/s，实际风速分别为45.2m/s和50.2m/s时，该区间桨距角下的叶根二分量反力颤振指标δ均小于2％，[δ]为结构颤振反力容许值为2.2％。
根据上述颤振指标对风力机叶片颤振区间进行预测，可得NREL-15MW风力机叶片在桨距角93°～96°及284°～287°区间内发生颤振。如图5所示，给出了由叶尖位移得出的颤振临界风速与由叶根反力法得出的颤振临界风速的对比图。由图5可知，两种判定方法得到的临界风速在颤振区间内趋势基本一致，表明叶根反力法判定颤振临界风速的可靠性。
为评估本发明提出的基于叶根二分量反力的叶根反力颤振判定法有效性，基于OpenFAST 构建NERL-15MW风力机数值计算模型，根据上述颤振指标对风力机叶片颤振临界风速进行预测，分析见表1，通过对比分析，表明叶根反力法与传统叶尖位移法的风力机叶片颤振判定预测结果吻合较好。
表1两种颤振临界风速判定对比列表
Figure GDA0003729782470000071
参见图2所示的结构示意图，本发明实施例提供一种风力机叶片颤振临界风速预测装置，所述装置应用于根据相似准则建立的风力机叶片完全气弹模型。
采用高频六分量天平对风力机叶片完全气弹模型进行全风向角测力风洞试验，得到叶根测力数据，所述测力数据包括叶根x轴方向力的载荷Fx、叶根y轴方向力的载荷Fy、叶根z 轴方向力的载荷Fz、绕x轴的加载的力矩Mx、绕y轴的加载的力矩My以及绕z轴的加载的力矩Mz。
所述装置包括：
第一构建模块100，用于以叶根二分量反力Fy和Mx为目标时程变量，构建叶片颤振临界状态表达式,作为叶根反力颤振判定准则；
第二构建模块200，用于构建目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的表达式；
计算模块300，用于计算目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率；
获取模块400，用于获取目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率的最大值,作为叶根二分量反力颤振指标，以得到风力机叶片颤振临界风速。
可选的，所述第一构建模块包括：
第一构建单元，用于构建叶片颤振临界状态表达式为：
γ·δ≥[δ]；
其中，γ为风力机叶片结构重要性系数；δ为风力机叶根二分量反力颤振指标；[δ]为风力机叶片结构颤振反力容许值。
可选的，所述第二构建模块包括：
第二构建单元，用于构建目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的表达式为：
Figure GDA0003729782470000072
其中，k(a)t为目标时间t内叶根二分量反力的相对标准差；f为叶根二分量反力采样频率；ai为叶根二分量反力在目标时间内的反力样本；
Figure GDA0003729782470000081
为叶根二分量反力在目标时间内的反力样本均值；N为目标时间t内的采样点总数；E(a)为目标时间t内的采样均值。
可选的，所述计算模块包括：
计算单元，用于根据以下公式计算目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率：
Figure GDA0003729782470000082
其中，k(a)t为目标时间t内叶根二分量反力的相对标准差；k(a)t+t为k(a)t对应时间后t 时间内的叶根二分量反力的相对标准差；Δ(a)为目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率。
本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例中的说明即可。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种风力机叶片颤振临界风速预测方法，其特征在于，所述方法应用于根据相似准则建立的风力机叶片完全气弹模型；
采用高频六分量天平对风力机叶片完全气弹模型进行全风向角测力风洞试验，得到叶根测力数据，所述测力数据包括叶根x轴方向力的载荷Fx、叶根y轴方向力的载荷Fy、叶根z轴方向力的载荷Fz、绕x轴的加载的力矩Mx、绕y轴的加载的力矩My以及绕z轴的加载的力矩Mz；
所述方法包括：
以叶根二分量反力Fy和Mx为目标时程变量，构建叶片颤振临界状态表达式，作为叶根反力颤振判定准则；
构建目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的表达式；
计算目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率；
获取目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率的最大值，作为叶根二分量反力颤振指标，以得到风力机叶片颤振临界风速。
2.根据权利要求1所述的风力机叶片颤振临界风速预测方法，其特征在于，所述以叶根二分量反力Fy和Mx为目标时程变量，构建叶片颤振临界状态表达式，作为叶根反力颤振判定准则，包括：
构建叶片颤振临界状态表达式为：
γ·δ≥[δ]；
其中，γ为风力机叶片结构重要性系数；δ为风力机叶根二分量反力颤振指标；[δ]为风力机叶片结构颤振反力容许值。
3.根据权利要求1所述的风力机叶片颤振临界风速预测方法，其特征在于，所述构建目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的表达式，包括：
构建目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的表达式为：
Figure FDA0003729782460000011
其中，k(a)t为目标时间t内叶根二分量反力的相对标准差；f为叶根二分量反力采样频率；ai为叶根二分量反力在目标时间内的反力样本；
Figure FDA0003729782460000012
为叶根二分量反力在目标时间内的反力样本均值；N为目标时间t内的采样点总数；E(a)为目标时间t内的采样均值。
4.根据权利要求3所述的风力机叶片颤振临界风速预测方法，其特征在于，所述计算目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率，包括：
根据以下公式计算目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率：
Figure FDA0003729782460000021
其中，k(a)t为目标时间t内叶根二分量反力的相对标准差；k(a)t+t为k(a)t对应时间后t时间内的叶根二分量反力的相对标准差；Δ(a)为目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率。
5.一种风力机叶片颤振临界风速预测装置，其特征在于，所述装置应用于根据相似准则建立的风力机叶片完全气弹模型；
采用高频六分量天平对风力机叶片完全气弹模型进行全风向角测力风洞试验，得到叶根测力数据，所述测力数据包括叶根x轴方向力的载荷Fx、叶根y轴方向力的载荷Fy、叶根z轴方向力的载荷Fz、绕x轴的加载的力矩Mx、绕y轴的加载的力矩My以及绕z轴的加载的力矩Mz；
所述装置包括：
第一构建模块，用于以叶根二分量反力Fy和Mx为目标时程变量，构建叶片颤振临界状态表达式，作为叶根反力颤振判定准则；
第二构建模块，用于构建目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的表达式；
计算模块，用于计算目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率；
获取模块，用于获取目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率的最大值，作为叶根二分量反力颤振指标，以得到风力机叶片颤振临界风速。
6.根据权利要求5所述的风力机叶片颤振临界风速预测装置，其特征在于，所述第一构建模块包括：
第一构建单元，用于构建叶片颤振临界状态表达式为：
γ·δ≥[δ]；
其中，γ为风力机叶片结构重要性系数；δ为风力机叶根二分量反力颤振指标；[δ]为风力机叶片结构颤振反力容许值。
7.根据权利要求5所述的风力机叶片颤振临界风速预测装置，其特征在于，所述第二构建模块包括：
第二构建单元，用于构建目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的表达式为：
Figure FDA0003729782460000031
其中，k(a)t为目标时间t内叶根二分量反力的相对标准差；f为叶根二分量反力采样频率；ai为叶根二分量反力在目标时间内的反力样本；
Figure FDA0003729782460000032
为叶根二分量反力在目标时间内的反力样本均值；N为目标时间t内的采样点总数；E(a)为目标时间t内的采样均值。
8.根据权利要求7所述的风力机叶片颤振临界风速预测装置，其特征在于，所述计算模块包括：
计算单元，用于根据以下公式计算目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率：
Figure FDA0003729782460000033
其中，k(a)t为目标时间t内叶根二分量反力的相对标准差；k(a)t+t为k(a)t对应时间后t时间内的叶根二分量反力的相对标准差；Δ(a)为目标时间内叶根二分量反力的相对标准差的斜率。
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