【周乐】2024可再生能源大会汇报_23页_3mb

第十九届中国可再生能源大会-风能分会汇报内容总结

研究背景

1. 风电产业发展趋势显示，风力机向大型化发展，2020年15MW机型叶片长度已达117米，2024年预计突破百米级。海上风电逐渐成为主流，浮式风力机需应对复杂的气弹耦合特性。
2. 当前研究多聚焦于浮式风力机的基本气动特性及复杂流动特征，但对气弹耦合特性研究仍局限于叶片形变与载荷关系，缺乏对多因素交互影响的系统分析。

研究方法与对象

1. 采用升力线自由尾迹模型与几何精确梁模型进行耦合分析，前者通过涡段划分模拟叶片气动特性，后者基于多体动力学理论分析叶片形变。
2. 研究对象为IEA-15MW风力机，参数包括：额定功率15MW，风轮直径240m，轮毂高度150m，叶轮与塔架间距11m，来流速度5-9m/s，转速755rpm。
3. 浮台纵荡运动参数基于墨西哥湾海况数据设定，幅值2m/5m/10m/15m，频率0.02Hz/0.05Hz/0.10Hz/0.15Hz，覆盖2-15Hz频段。

结果与讨论

1. 载荷特性：纵荡导致功率波动，柔性叶片功率较刚性叶片降低。相位延迟现象在180°、360°及90°、270°处显著，叶片柔性加剧延迟效应。
2. 叶片形变：挥舞形变主要受纵荡频率影响，摆振形变叠加风轮旋转频率（重力作用），扭转变形产生纵荡与旋转频率的干涉频率。叶尖形变导致翼型攻角分布变化。
3. 尾迹特性：纵荡引起尾迹显著畸变，柔性叶片因载荷降低使尾迹畸变减弱。刚性风轮尾迹畸变主要由浮台运动导致，柔性风轮则受叶片形变双重影响。
4. 非定常气弹特性：包含三方面延迟机制：尾涡诱导延迟、翼型非定常气动效应（滞环现象）、叶片质量惯性导致的响应滞后。相位滞后角度自叶根至叶尖逐步增加，影响系统气动稳定性。
5. 频率与幅值影响：纵荡强度增加会导致攻角变化范围扩大，叶根区域出现动态失速，其他区域进入螺旋桨状态。折合频率在叶片柔性存在时难以准确反映纵荡参数对系统的影响，高频振动显著加剧载荷响应延迟。

结论与展望

1. 主要结论：浮式风力机在纵荡工况下呈现显著载荷波动与相位延迟，延迟效应源于尾涡诱导、翼型非定常特性及叶片惯性。叶片柔性通过降低攻角与入流速度实现降载，但使形变特性复杂化。高频纵荡可能引发动态失速与螺旋桨状态，折合频率评估方法受限。
2. 未来研究方向：需深入探讨复材叶片柔性特性与降载机制，建立更精确的气弹耦合模型。同时需开发考虑叶片形变的折合频率修正方法，提升对浮式风力机动态响应的预测能力。研究结果为海上风电设计与控制策略优化提供理论支撑。

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