随着传统化石能源的大量消耗和现代社会经济的飞速发展,风力发电作为新兴的清洁能源行业而得到各国政策的大力支持正欣欣向荣、蓬勃发展。风力机作为将风能转化为电能的基础和关键环节,自然环境条件的限制和技术革新促使风力机单机容量越来越大,现代风力机尺寸的大型化已经成为潮流,其中叶片和塔筒尺寸的增大往往伴随着结构弹性的增强,更易产生弹性变形。来流的复杂性和机组结构弹性变形的不稳定性对风力机的气动性能和载荷产生不利影响。因此本文基于FAST软件平台,以NREL 5MW陆上水平轴风力机为研究对象,采用修正动量叶素理论(BEM)和几何精确梁理论(GEBT)耦合的叶片气弹研究方法,同时考虑了塔筒弹性变形和其他结构部件的系统耦合作用,研究不同来流条件下叶片和塔筒的气弹变形及其对风力机气动性能和载荷的影响。主要研究工作如下:(1)对FAST程序实现的气弹耦合数值计算方法的准确性进行了验证,采用AeroDyn+BeamDyn的空气动力和结构动力耦合计算方法与AeroDyn+ElastoDyn相比能够准确反映5MW风力机叶片的非线性和大变形特征,并且可以描述叶片的弯扭耦合特性,适用于大型风力机的气弹性能分析与研究。(2)在均匀来流条件下,首先针对额定均匀来流风速,对比分析了风力机在弹性和刚性状态下气弹性能的周期变化规律。计算结果显示,风轮的气动性能在一个周期内受叶片经过塔筒前方的影响出现三次极小值波动现象;叶片和塔筒的弹性变形会造成风力机气动性能下降,弹性机组的风轮推力、转矩和气动功率比刚性机组分别降低3.0%、2.7%和3.0%;叶片挥舞变形和弯矩、弹性扭转角和扭矩均在180°方位角偏离正余弦变化规律而明显减小,叶片摆振变形和弯矩均呈正余弦规律变化;塔筒前后和侧向弯曲变形量周期波动平稳,前向弯矩和扭矩同样受叶片经过塔筒的影响在周期内出现三次波动峰值。其次研究了低于和高于额定风速的均匀风速下风力机的气弹性能。结果表明,在不同均匀来流下,风力机主要的弹性变形方式为叶片挥舞和塔筒前后方向弯曲;额定风速前机组弹性变形量随风速的增大而增大,额定风速后叶片弯曲和塔筒前后弯曲变形量随风速增大而减小,额定风速下弹性变形达到最大值。考虑叶片和塔筒结构弹性的风力机与刚性机组相比,额定均匀风速附近区间风轮的推力系数、转矩系数和功率系数有所降低。(3)建立随高度指数率变化的剪切风来流条件,研究不同指数剪切风速下风力机的气弹性能。结果表明,剪切稳态风速下弹性机组的气动性能同样低于刚性机组,且随着剪切指数的增大,风轮推力、转矩和气动功率的周期平均值均减小。叶尖弹性变形存在约20°的方位角滞后现象,挥舞和摆振变形的周期波动幅值随剪切指数增大而增大;叶根的应力载荷与叶尖弹性变形的周期变化趋势基本一致,但叶尖弹性扭角在180°方位角的激增变化现象并没有在叶根扭矩的变化中体现出来;塔筒的弯曲变形与应力载荷的周期平均值均随剪切指数增大而增大。(4)基于Von Karman速度谱模型建立不同强度的湍流风场,模拟风场在轮毂高度处三个方向的脉动风速功率谱与目标函数谱吻合,验证了模拟湍流风场风速分布的可靠性。采用本文建立的5%、10%、15%和20%四种强度的湍流风场作为风力机来流条件,研究考虑机组结构弹性时的风力机气弹性能。选取有效模拟时间总长300s中的200~300s时间段的计算结果,分析不同强度湍流风来流条件下风力机的气弹性能。结果分析可得,随着湍流强度的增强,风力机的气动性能和输出功率、弹性变形和载荷的平均值减小,波动幅度增大,但是塔顶和塔底所受偏航扭矩均值随湍流增强而增大。在200~220s时间段内,四种湍流强度下顺风向瞬时风速均高于额定风速,在此区间的风轮推力、叶尖挥舞方向偏移量和弯矩值以及塔筒前后偏移量均同步减小,叶根扭矩自正向减小,在高湍流强度下由正转负,这说明较大的瞬时风速下,叶片桨距角和弹性扭角的适度增大可以有效减小叶片和风轮以及塔筒的相对旋转平面的法向载荷,同时稳定机组的输出功率。另外,塔筒所受载荷与三叶片风轮气动力密切相关,塔筒顶部偏航扭矩与风轮左右两半平面的不平衡气动力有关;俯仰力矩与风轮上下两半平面的气动力分布不均有关;整机作用于塔底的倾覆弯矩与风轮轴向推力有关。本课题的研究方法和分析结果可以为大型水平轴风力机的气动结构一体化优化设计提供参考,涉及到的开源软件工具FAST的使用可以为工程实践中风力机在气弹变形下载荷的可靠计算提供依据。