海上浮式风机叶片变形与叶轮轮毂载荷预测方法及系统

本发明涉及风力发电机，具体涉及一种海上浮式风机叶片变形与叶轮轮毂载荷预测方法及系统。

背景技术：

1、能源是人类赖以生存和文明发展的重要物质保障，是一个国家经济发展的原动力和科学技术水平的重要标志。风能是由于大气受热不均造成的，因此风能清洁环保，储量巨大。风力发电机作为风能转化为电能的主要设备，也因此获得了长足的发展。随着海上浮式风机的大型化，叶轮直径增加、叶片柔性化加剧、转动惯量和质量增加，再加上风机的工作环境恶劣（非定常气动载荷和平台运动），导致风机叶片的变形预测难度增加，在海洋环境下此种情况尤甚。同时，风机叶轮三个叶片在非均匀风速作用下，产生较大的叶轮轮毂非扭矩载荷，给风机传动系统的运转带来了较大挑战。准确预测大型海上浮式风机叶片变形为叶片的载荷分析与设计奠定了坚实基础；准确预测叶轮轮毂载荷有效保障风机传动系统内部结构布局和设计分析。现有的风机叶片变形分析方法多是基于有限元或者刚性叶片分析，其中有限元方法计算效率低。另外，刚性叶片忽略了叶片柔性，针对大型叶片预测精度低，现有的模型往往针对单个叶片进行分析，忽略了三个叶片之间的共同作用，无法精确预测叶轮轮毂载荷。

技术实现思路

1、发明目的：本发明目的是提供一种效率高、精度高的海上浮式风机叶片变形与叶轮轮毂载荷预测方法及系统。

2、技术方案：本发明所述的海上浮式风机叶片变形与叶轮轮毂载荷预测方法包括以下步骤：

3、s1、采集初始参数，所述初始参数包括叶片参数、风速参数；

4、s2、基于考虑几何大变形的几何精确梁理论处理所述叶片参数，构建叶轮模型，所述叶轮模型包括若干个叶片模型；其中，所述叶轮模型对应一个叶轮，所述叶片模型对应一个叶片，每个叶轮中具有若干个所述叶片；

5、s3、基于非定常叶素动量理论处理所述风速参数，建立气动力模型，所述气动力模型用于计算气动载荷；

6、s4、结合所述叶轮模型、气动力模型构建气弹耦合模型，将所述气动载荷施加于叶轮上，并进行气弹特性分析，输出分析结果，所述分析结果包括叶片载荷、叶片变形、叶轮载荷。

7、进一步的，所述几何精确梁模型包括若干个几何精确梁单元、梁节点，将每个叶片离散为若干个几何精确梁单元，且将所述若干个叶片由梁节点连接；所述几何精确梁单元采用三节点构建，公式为：

8、；

9、式中，为单元形函数；为三阶单位向量；为节点1形函数；为节点2形函数；为节点3形函数。

10、进一步的，建立几何精确梁模型以模拟所述叶片的形变，所述几何精确梁模型公式如下：

11、

12、式中，为梁单元质量矩阵；为梁节点加速度矩阵；为梁单元陀螺矩阵；为梁节点速度矩阵；为梁单元刚度矩阵；为梁节点位移矩阵；为梁单元所受重力矩阵；为梁单元外部力矩阵；为梁单元内部力矩阵。

13、进一步的，在所述非定常叶素动量理论中，由于非定常因素引起叶片上风速分布不均匀。

14、进一步的，所述风速参数包括风速大小参数和风速空间分布参数，按照所述风速大小参数，将风速划分为基本稳定风速、阵风风速、渐变风速、湍流风速；按照所述风速空间分布参数将所述非定常因素划分为风剪切效应、塔影效应、偏航效应、风力发电机基础运动。

15、进一步的，步骤s3中，计算气动载荷包括以下公式：

16、 ；

17、式中，表示空气密度；表示叶片截面弦长；表示叶片截面的阻力系数；表示叶片截面的升力系数；表示叶片截面的扭转系数；为相应的轴向气动力；为相应的切向的气动力；为空气动力中心相对于剪切中心偏移引起的扭矩；为单位叶片长度的升力；表示单位叶片长度的阻力；为相对速度矢量；为最终真实风速与旋转平面夹角。

18、进一步的，采用松耦合法建立气弹耦合模型，在每个时间步交换所述叶轮模型和气动力模型之间的数据。

19、进一步的，步骤s4中，基于广义-时间积分方法进行气弹特性分析，并采用自适应变时间步长策略进行求解。

20、进一步的，进行气弹特性分析时，考虑叶片重力因素和控制系统影响。

21、技术方案：本发明所述的海上浮式风机叶片变形与叶轮轮毂载荷预测系统包括：

22、数据采集模块，用以采集初始参数，所述初始参数包括叶片参数、风速参数；

23、叶轮模型建立模块，用以基于考虑几何大变形的几何精确梁理论处理所述叶片参数，构建叶轮模型，所述叶轮模型包括若干个叶片模型；其中，所述叶轮模型对应一个叶轮，所述叶片模型对应一个叶片，每个叶轮中具有若干个所述叶片；

24、气动力模型建立模块，用以基于非定常叶素动量理论处理所述风速参数，建立气动力模型，所述气动力模型用于计算气动载荷；

25、气弹分析模块，用以结合所述叶轮模型、气动力模型构建气弹耦合模型，将所述气动载荷施加于叶轮上，并进行气弹特性分析，输出分析结果，所述分析结果包括叶片载荷、叶片变形、叶轮载荷。

26、有益效果：本发明具有如下显著效果：1、精度高：一方面，所构建的大型风机叶片模型考虑非定常入流（风剪切、塔影效应、偏航入流等）的影响，较为全面的覆盖了现有风机典型运行风环境；另一方面，所构建的风机叶片气弹耦合动力学模型，考虑海上浮式风机基体运动的影响，同时，所构建的风机叶片耦合分析模型有优良的数据处理流程，精度高、可用性较强；2、效率高：一方面，对叶片建模时，直接建立完整的三叶片叶轮模型，弥补了现有单根叶片建模的弊端，从而直接输出叶轮轮毂载荷，为风机内部传动系统的设计提供了输入条件；另一方面，所提供的预测方法仅需提供基本的叶片参数和风速参数即可运行，不受限于操作人员的技术基础，且在预测系统中编制了相应的操作界面，在保证准确定的前提下，大幅提高了计算效率。

技术特征：

1.一种海上浮式风机叶片变形与叶轮轮毂载荷预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的海上浮式风机叶片变形与叶轮轮毂载荷预测方法，其特征在于，所述几何精确梁模型包括若干个几何精确梁单元、梁节点，将每个叶片离散为若干个几何精确梁单元，且将所述若干个叶片由梁节点连接；所述几何精确梁单元采用三节点构建，公式为：

3.根据权利要求2所述的海上浮式风机叶片变形与叶轮轮毂载荷预测方法，其特征在于，步骤s2中，建立几何精确梁模型以模拟所述叶片的形变，所述几何精确梁模型公式如下：

4.根据权利要求1所述的海上浮式风机叶片变形与叶轮轮毂载荷预测方法，其特征在于，在所述非定常叶素动量理论中，由于非定常因素引起叶片上风速分布不均匀。

5.根据权利要求4所述的海上浮式风机叶片变形与叶轮轮毂载荷预测方法，其特征在于，所述风速参数包括风速大小参数和风速空间分布参数，按照所述风速大小参数，将风速划分为基本稳定风速、阵风风速、渐变风速、湍流风速；按照所述风速空间分布参数将所述非定常因素划分为风剪切效应、塔影效应、偏航效应、风力发电机基础运动。

6.根据权利要求1所述的海上浮式风机叶片变形与叶轮轮毂载荷预测方法，其特征在于，步骤s3中，计算气动载荷包括以下公式：

7.根据权利要求1所述的海上浮式风机叶片变形与叶轮轮毂载荷预测方法，其特征在于，采用松耦合法建立气弹耦合模型，在每个时间步交换所述叶轮模型和气动力模型之间的数据。

8.根据权利要求1所述的海上浮式风机叶片变形与叶轮轮毂载荷预测方法，其特征在于，步骤s4中，基于广义-时间积分方法进行气弹特性分析，并采用自适应变时间步长策略进行求解。

9.根据权利要求1所述的海上浮式风机叶片变形与叶轮轮毂载荷预测方法，其特征在于，进行气弹特性分析时，考虑叶片重力因素和控制系统影响。

10.一种海上浮式风机叶片变形与叶轮轮毂载荷预测系统，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开了一种海上浮式风机叶片变形与叶轮轮毂载荷预测方法及系统，其中，预测方法包括以下步骤：S1、采集初始参数；S2、基于考虑几何大变形的几何精确梁理论处理所述叶片参数，构建叶轮模型；S3、基于非定常叶素动量理论处理所述风速参数，建立气动力模型，所述气动力模型用于计算气动载荷；S4、结合所述叶轮模型、气动力模型构建气弹耦合模型，将所述气动载荷施加于叶轮上，并进行气弹特性分析，输出分析结果，所述分析结果包括叶片载荷、叶片变形、叶轮载荷。本发明具有精度高、效率高的特点。

技术研发人员：李占伟,严文豪,何中明,王旦,梁睿君,鲍和云,李苗苗,陆凤霞,陈蔚芳,朱如鹏
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24