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垂直軸風(fēng)輪氣動彈性穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析
垂直軸風(fēng)輪氣動彈性穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析 摘要 為了減輕重量和降低成本,大型風(fēng)輪塔架和旋翼槳葉往往采用柔性結(jié)構(gòu)。這種柔性結(jié)構(gòu)對高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)風(fēng)輪不穩(wěn)定性是極其敏感的。另外,力和力
摘要 為了減輕重量和降低成本,大型風(fēng)輪塔架和旋翼槳葉往往采用柔性結(jié)構(gòu)。這種柔性結(jié)構(gòu)對高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)風(fēng)輪不穩(wěn)定性是極其敏感的。另外,力和力矩及產(chǎn)生的相應(yīng)應(yīng)力隨時間而變化(穩(wěn)定f不穩(wěn)定)也是風(fēng)輪的一個重要特性。因此,在風(fēng)輪設(shè)計中氣動彈性穩(wěn)定性分析和結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析是非常重要的,是不可缺少的基本部分。
介 紹
本計算是基于有限元方法和模態(tài)耦合技術(shù),為了進(jìn)行旋翼和塔耦合系統(tǒng)氣動彈性穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析,首先用有限元方法分別計算出各分部件模態(tài)及其自然頻率,從而描繪槳葉、塔架、旋翼軸等各分部件的變形,并以廣義坐標(biāo)表示基本運動方程,自由度包括的彎曲和扭轉(zhuǎn),槳葉的揮舞和擺振,還考慮了旋翼軸的彎曲,而驅(qū)動的傳動系統(tǒng)用一個彈簧一阻尼系統(tǒng)模擬。
廣義力來源于氣動力、重力、陀螺力和離心力,用雙多流管理論計算氣動力。
這個研究包括兩個內(nèi)容(1)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)變形的穩(wěn)定性,(2)給定激振載荷,力和應(yīng)
力的響應(yīng)。研究涉及到兩個槳葉,每個槳葉彎曲形狀近似于troposkien(希臘意彎曲索、)達(dá)里厄垂直軸風(fēng)輪的氣動彈性穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析。
計算中只考慮了無風(fēng)狀態(tài)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)誘導(dǎo)的氣動力(相當(dāng)直升機(jī)懸停狀態(tài)),.當(dāng)然槳葉還要經(jīng)受由于攻角變化產(chǎn)生的氣動力。這些對氣動載荷計算都是重要的,而且,還應(yīng)考慮它與自誘導(dǎo)氣動力耦合產(chǎn)生的氣動載荷。
研究所采用的數(shù)學(xué)模型,既能利用于垂直軸風(fēng)輪氣動彈性分析也可用于動力響應(yīng)的計算。運動方程由Lalgrange方程導(dǎo)出,導(dǎo)出的方程為一個耦合系統(tǒng)的具有常系數(shù)的二階微分矢量方程。
風(fēng)輪動力周期時間相關(guān)系數(shù)實際上由旋轉(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn)部件的應(yīng)力(產(chǎn)生的變形)引起的,因此必須依據(jù)旋轉(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)來描述。這樣依次引出了矩陣形運動方程中矩陣元素的方位的相關(guān)性,需用多槳葉坐標(biāo)和諧波平衡技術(shù)做特殊處理。
對垂直軸風(fēng)輪由于常系數(shù)的存在情況是比較簡單的,為了求得給定風(fēng)輪幾何尺寸和特定運轉(zhuǎn)狀態(tài)的振型振頻,采用了有限元和耦合混合技術(shù)。風(fēng)輪設(shè)計者可得到共振狀態(tài)和瞬時狀態(tài)的結(jié)果,這樣,疲勞壽命、可靠性和經(jīng)濟(jì)性通過這個研究都可解決。為了得到氣動彈性穩(wěn)定性和動力響應(yīng)的最終結(jié)果,可采用下列步驟。首先寫出以Lagrangian形式的基本運動方程
即
式中T和U分別代表整個風(fēng)輪系統(tǒng)的動能 和勢能,h;代表廣義坐標(biāo),F(xiàn)是消耗函數(shù), Ql是廣義力I n是單獨廣義坐標(biāo)數(shù)量。
氣動彈性和動力響應(yīng)分析的研究步驟如 下
(1)提供旋轉(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn)部件動能表達(dá)式
?。?)求出勢能項目表達(dá)式;
?。?)求導(dǎo)廣義力項目;
(4)為了得到運動方程最后形式,進(jìn)行綜合處理求導(dǎo);
?。?)氣動彈性穩(wěn)定性分析過程,
?。?)結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)計算過程。
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