浮式风机叶片动态失速气弹稳定性研究
摘要
随着海上风电开发技术日益成熟，浮式风力机的发电功率的不断提高，叶片的尺
寸也在不断增加，呈现出更加柔性化的趋势。风力机叶片具有质量轻、模态密集等特
点，叠加浮式平台运动的影响，气动力的作用更为复杂，易出现共振、自激振动等现
象从而导致结构的失效和破坏。因此，大型浮式风力机的气弹稳定性研究受到业界的
广泛重视，对提高风力机系统的安全性，降低制造成本具有重要的应用价值和指导意
义。
本文基于叶素-动量理论结合特征值法与时域模拟法对大型浮式风力机的气弹稳
定性展开分析，具体研究内容如下：
(1)构建了风力机-浮式基础-系泊系统的水气弹性全耦合分析模型，其中风力机采
用了DTU-10MW叶片翼型及配套系统的多体质量模型，浮式基础为OO-Star半潜式
平台，结构方面整合了叶片及塔架的有限元模态分析结果。基于该模型，以欧盟
LIFES50+项目为参考，进行了频域水动力参数的计算，并对目标浮式风力机进行了自
由衰减仿真，验证了分析模型的可靠性和准确性。
(2)使用OpenFAST开源程序建立固定式风力机全系统状态空间模型，并在此基
础上应用特征值法对工作及停机工况下的固定式风力机进行气弹稳定性分析，探究了
风速、风偏航角及方位角等工况参数对一阶系统模态参数的影响规律，总结出自激振
动发生的失稳区间。在此基础上进一步对水动力辐射载荷进行线性化，建立了完整的
浮式风力机全系统状态空间模型，并采用定常气动力模型和特征值法对其进行气弹稳
定性分析，与固定式风力机结果进行对比，总结了浮体边界条件对系统模态参数的影
响规律，也为下文的分析验证提供参考依据。
(3)考虑叶素的动态失速效应，对气动力进行经验的非定常修正，归纳采用两种气
动力模型的特征值分析结果的差异及原因。根据相关设计规范对停机浮式风力机进行
工况设计，进行时域仿真，并通过快速傅里叶变换从频域观测负阻尼模态在振动中包
含的能量大小，证明了特征值法与时域模拟法存在相互验证关系。
关键词：浮式风力机；气弹稳定性；自激振动；状态空间；特征值法
浮式风机叶片动态失速气弹稳定性研究
Abstract
Withtheincreasinglymaturedevelopmenttechnologyofoffshorewindpower,the
powergenerationoffloatingoffshorewindturbines(FOWT)iscontinuouslyincreasing,and
thesizeofbladesisalsoincreasing,showingamoreflexibletrend.Asthemaincomponent
thatabsorbsexternalenergy,windturbinebladesnotonlyhavethecharacteristicsoflight
weightanddensemodes,butalsoareaffectedbythemotionoffloatingplatforms,making
theaerodynamiceffectmorecomplex.Theyarepronetoresonance,self-excitedvibration,
andotherphenomena,leadingtostructuralfailureanddamage.Therefore,theresearchonthe
aeroelasticstabilityoflargeFOWThasreceivedextensiveattentionintheindustry.This
researchcanimprovethesafetyofwindturbinesystems,reducemanufacturingcosts,andhas
importantapplicationvalueandguiding