风能作为一种丰富洁净可再生能源,具有广阔的开发利用前景。风力发电作为风能利用的一种重要方式正在迅猛发展。叶片作为风力机能量吸收的关键部件,寒冷区域运行的风力机叶片面临结冰问题。加之运行过程中受到气动力、弹性力与惯性力的耦合作用,叶片结冰直接影响其气动性能及使用寿命。鉴于此,本文以河西地区某风场1.5 MW水平轴风力机叶片为研究对象,研究和探索叶片结冰对其动力学特性影响问题,研究中取得的主要结论如下:(1)结冰对叶片的气动性能影响。在额定工况下对r/R=0.8截面处的翼型进行不同工况下的结冰形态预测,定量求解结冰翼型在多攻角下的升、阻力系数,并结合翼型绕流流场速度分布探究结冰翼型的失速规律。结果表明:叶片结冰致使翼型升力系数降低且阻力系数增大,数值模拟结果显示升力系数最大下降20%,阻力系数最大增长为干净翼型的2.45倍;叶片结冰导致翼型的轮廓发生变化,使得翼型提前进入失速状态,相同情况下,雨淞结冰比雾凇结冰更早进入失速状态。(2)结冰对叶片载荷的影响。额定工况下,计算叶片28个截面的入流参数,精确求解叶片结冰两小时的结冰质量分布,结合河西地区某风场风资源模型,计算叶片结冰前后的稳态载荷。结果表明:额定工况下,单个叶片两小时结冰质量为156 kg,相对于叶片质量增加2.5%;结冰使得叶片所受载荷增大,叶根处挥舞、摆振方向的剪力分别增加0.93%、1.02%,在叶根处的挥舞力矩减小0.1%,摆阵力矩增加1.53%。(3)叶片准三维结冰有限元建模及叶片结冰前后的静力学特性研究。借助有限元软件ANSYS-Workbench的ACP模块构建1.5 MW复合材料叶片及额定工况下旋转叶片的准三维结冰有限元模型,然后将叶片表面所受的复杂载荷转化为集中载荷分段耦合加载到叶素的扭转中心上并求解叶片结冰前后的应力应变。结果表明:结冰增加了叶片的刚度,叶尖最大位移减小65%;由于冰体的不规则性与叶片之间的黏结作用,容易导致冰体与叶片前缘黏接部分出现局部应力集中。(4)无预应力时,基于叶片有限元模型定量计算叶片在只考虑冰体质量影响、同时考虑冰体质量与刚度影响的前6阶固有频率及振型。考虑预应力效应时,分别求解了无冰、结冰叶片在不同角速度下的固有频率,探究转速对叶片固有频率的影响规律。结果表明:无预应力状态下,只考虑冰体质量影响,第1阶挥舞频率最大下降12.5%,说明结冰会增大叶片发生共振的概率,需要采取措施做好叶片防、除冰工作,防止叶片受载发生振动破坏;若同时考虑冰体质量与刚度的影响,第1阶挥舞频率最大增长9.0%,说明冰体刚度使得叶片整体刚度增大,减小了叶片因结冰质量增加导致固有频率下降的幅度,使得叶片的固有频率远离共振频率,有利于风力机安全运行;叶片的固有频率随着风轮角速度的增加而增大,说明预应力可使叶片的整体刚度增大,进而影响叶片的固有频率。本文的研究工作,对服役于寒冷区域的风力机叶片防、除冰系统的设计研发具有一定的参考价值。