风力机叶片动态性能与仿生特性研究

以750kW水平轴风力机为研究对象,利用ANSYS复合材料单元,建立了风力机叶片数值模型。应用叶片结构振动有限元方法,从植物叶片叶脉动、静态特性出发,研究分析了风力机叶片叶素形状与材料铺层因素对其振动模态的影响,并初步探讨了风力机叶片仿生植物叶片的可行性。结果表明:不同的叶素形状可以改变叶片惯性矩,惯性矩越小,叶片的振动性能越好,与植物叶片振动特性相似;叶片材料的铺层分布对其振动模态的影响存在一定的规律,并与植物叶片叶脉分布规律相对应;两种因素对振动模态的影响效果可以叠加。     

风力机叶片约束阻尼结构建模及抑颤研究

针对大型风力机叶片的颤振问题,提出将约束阻尼结构应用于叶片以增大其结构阻尼。基于能量法建立局部约束阻尼叶片的动力学模型,推导出结构损耗因子的表达式;根据模态应变能分布情况确定约束阻尼层的敷设位置,并参数化分析阻尼层与约束层厚度对模态损耗因子的影响,采用混合单元法建立某型1.5 MW风力机阻尼叶片三维有限元模型;通过Newmark直接积分法对普通叶片及阻尼叶片在额定风速和极限风速下的动力响应进行仿真对比。结果显示,与普通叶片相比,约束阻尼结构叶片在两种风速下叶尖挥舞和摆振方向的位移、加速度标准差均减小50%以上,可显著提高叶片的抑颤能力。     

大型风力机叶片模态性能及振动分析

为研究大型风力机叶片铺层参数对叶片动态性能的影响、防止叶片发生共振、减小叶片挠度、改善叶片结构力学性能和提高风力机安全性,建立了5 MW风力机叶片的有限元模型,通过改变铺层材料和铺层角度实现不同的叶片结构,并对成型叶片进行了模态分析;采用CFD方法获得叶片表面载荷,分析不同风速下不同铺层结构叶片振动性能,结果表明:复合材料铺层角度能影响叶片固有频率,叶片低阶振型以挥舞和摆振为主,高阶模态出现扭转;增加0°铺层纤维比例可提高低阶固有频率,45°铺层能提高叶片抗扭能力;叶片振动位移沿叶片展向呈非线性增长,风速越大叶片挠度越大;碳纤维可有效提高叶片固有频率,减小叶片挠度。     

基于WPT-SVD-KELM的大型风力机叶片表面裂纹识别方法研究

为准确识别风力机叶片表面裂纹位置和长度，提出基于小波包-奇异值分解-核极限学习机（WPT-SVD-KELM）的裂纹识别方法。搭建风力机某典型叶片裂纹识别平台，开展正常叶片和含裂纹叶片的模态实验和变桨实验，获取不同工况下正常叶片和含裂纹叶片的振动信号。利用频响函数研究裂纹位置对振动信号幅频响应的影响，从而准确识别叶片表面裂纹位置，利用WPT-SVD提取风力机叶片表面裂纹振动信号的时频特征，定义参数kr表征裂纹长度的变化，并将特征参数导入优化后的KELM，从而识别风力机叶片表面裂纹长度。     

复杂工况下大型风力机动响应计算方法研究

为了获得水平轴风力机在时变载荷作用下的动态响应,提出一种基于模态叠加法的复杂工况下风力机整机动态响应分析计算流程。在动响应计算中,采用叶素动量定理计算风力机叶片在各个运行工况下的时变载荷,并建立风力机整机结构有限元模型;以叶片动载荷为激励,运用模态叠加法对风力机的动态响应进行分析。搭建实验室规模的风力机动响应测试平台,通过测试结果与数值分析结果的对比分析,表明该文分析流程的正确性。以陆地2 MW大型风力机为研究对象,运用该文所提出的计算方法对风力机系统的动态响应进行分析,得到不同风况下轮毂的位移动响应时域历程,对激励中各频率成分对结构动响应的影响进行分析。结果表明,在湍流风的作用下风力机的横向位移会产生大幅波动;在强阵风作用下风力机轮毂振动加剧,振幅最大增加179.52%,在风力机结构设计时应给予一定重视。     

风力机风轮模态局部化的动力学机理与影响因素分析

该文对风力机叶片损伤导致风轮模态局部化的动力学机理与影响因素进行研究。首先从代数特征值角度,揭示模态局部化的动力学机理,发现结构产生模态局部化的主要原因是存在密集模态。其次,建立NREL 5 MW风轮结构的有限元模型,分析叶片失谐度、模态阶数和失谐位置对风力机风轮结构模态局部化的影响。结果表明：叶片损伤失谐会造成叶片的振型发生显著变化,产生模态局部化现象;同时在某些模态下,系统振动能量集中于损伤叶片,会加速叶片损伤,致使其产生疲劳破坏。因此在风力机结构设计时,需考虑模态局部化对风力机结构的动力学特性影响。     

高风速及风突变对风力机柔性部件振动特性研究

风力机运行在复杂多变的自然环境之中,风是影响风力机气动特性和振动特性的最直接因素,高风速及风速突变将诱发风力机更强的气动载荷。为探究风力机柔性部件在高风速及突变湍流风作用下的振动特性,以NREL(美国国家能源部可再生能源实验室)实测数据为湍流风数据源,并添加相干结构描述风速突变,以NREL 1.5 MW近海桩柱式风力机为样机,建立基于Kane方法的风力机结构动力学模型,并使用假设模态离散化方法对其进行柔性化,而后将该模型与风场和气动力模型一起组成气-弹相互耦合系统动力学模型,分别研究了风力机叶片和塔架的结构动力学响应。结果表明:相干结构的添加可使基础湍流风具有更大的风突变以及更高的湍流强度;额定风速附近,叶尖位移体现为挥舞,切出风速附近,叶尖位移同时体现为挥舞和摆振;相干结构的添加使得叶片和塔架振动加速度成倍增加。     

铺层材料单层厚度对风力机叶片低阶模态频率的影响分析

针对大型风力机叶片铺层材料单层厚度对叶片模态频率的影响作用,对铺层材料单层厚度间的耦合机制进行研究。采用Box-Behnken法设计实验,建立叶片铺层单层厚度与其第一阶模态频率间的响应面模型,揭示叶片不同铺层材料单层厚度对模态频率的影响规律。以叶片前两阶模态频率为优化目标、以铺层材料单层厚度为设计变量建立优化数学模型,并采用遗传算法与有限元法结合进行全局寻优。以某企业1.5 MW叶片为算例,结果表明,优化后叶片第一阶挥舞、摆振频率均提高了0.07 Hz。     

5 MW风力机叶片模态特性分析

为了研究叶片铺层和主梁形式对大型自适应叶片动态特性的影响,利用Ansys软件建立了5 MW风力机叶片的有限元模型.对不同梁帽铺层角度和主梁形式的叶片进行了模态分析,给出了各模型的前十阶固有频率和振型,分析了叶片梁帽铺层角度、主梁形式和转速对风力机叶片固有频率的影响.结果表明：叶片梁帽铺层角度和叶片主梁形式对固有频率具有重要影响;在叶片的弯扭耦合设计过程中,要考虑设计参数对叶片模态特性的影响,以避免叶片发生振动性能失效.     

水平轴风力机结构动力响应分析

考虑水平轴风力机叶片和塔架的结构柔性,基于模态分析方法,建立了风力机叶片和塔架的耦合动力学模型来模拟整个系统的动态行为.应用线性加速方法,实现了结构动力响应的数值解法.利用分析模型对一台1.25MW风力机在稳态风作用下的结构动力响应进行了计算,计算结果显示所建立的模型能正确反映外部激励对结构变形及载荷的影响.此外,从计算结果可看出大型风力机的柔性结构在工作过程中变形很大;在进行载荷计算时考虑前二阶模态可得到较合理的计算结果.     

风电叶片固有频率相关性分析新方法

为进行三维风电叶片振动系统固有频率相关性分析,采用MATLAB和ANSYS共同建立了风电叶片三维有限元参数模型,并分析了叶片固有振动特性.考虑系统随机结构参数对风电叶片固有振动的影响,运用将Monte Carlo与ANSYS相结合的方法对叶片固有振动特性进行相关性分析,进而判断其对随机结构参数的敏感性,形成了一种叶片结...     

大型风力机叶片模态测试与分析

利用建成的大型风力机叶片的振动特性分析装置,用测力法和不测力法对风力机叶片进行模态试验及分析,测试了风力机叶片的模态参数（固有频率、阻尼和振型）,得到了叶片的振动特性。采用共振法将偏心电机和变频器连成一体作为激励源测试了叶片的固有频率,实验验证了单叶片的危险运行频率。对大型风力机叶片模态试验及分析提供了可靠的实验装置和试验方法,对风力机叶片动力学特性分析提供有力工具。     

考虑叶片旋转及土-结构相互作用对风电结构动力特性影响的研究

风力发电建设场地土特性及叶片转速变化会引起风力发电机动力特性及响应发生变化。基于西北地区某风电场的2 MW三桨叶水平轴风力发电机,利用ANSYS软件建立风力发电机整机模型,考虑叶片旋转及土-结构相互作用对风力发电机动力特性的影响,研究风力发电机在不同叶片转速、不同场地条件及两者共同作用下的动力特性变化规律,并利用坎贝尔图分析上述工况下风力发电机的共振特性。结果表明:叶片转速增加使风力发电机的自振频率逐渐增大,塔筒与叶片的耦合变形使频率增长加快;考虑土-结构相互作用时,风力发电机频率降低,且场地土越软风力发电机频率越小;当两种工况共同作用时,叶片旋转只对一阶频率产生影响,对高阶频率影响甚微,且风力发电机频率降低;考虑叶片旋转时风力发电机在1P转频内不产生共振点,在3P转频内一阶频率的共振点为14 r/min。此外在不同场地土下风力发电机均会产生共振点,其中Ⅲ类土的共振频率最远离额定转频。因此在风电场的场地选择、结构设计及日常运行时应注意其动力特性变化,使其频率远离共振区域,为风力发电机安全运行提供保障。     

考虑应力刚化影响的风力机叶片振动模态分析

利用ANSYS软件建立了500 W风力机叶片的有限元模型。基于振动分析的基本理论,分析了应力刚化对风力机叶片固有频率的影响,研究了旋转状态下叶片振型的变化规律。通过比较不同转速下的仿真结果发现,叶片旋转越快,应力刚化对固有频率的影响越大,特别是对低阶固有频率的影响最为明显,在叶片的动力学分析计算中应予以考虑。研究结果对风力机叶片的动力学设计及控制具有一定的参考价值。     

大型风机叶片疲劳加载模式的能耗分析

设计了两套风机叶片疲劳加载试验方案:液压缸强迫加载模式和偏心质量块共振加载模式,并给出了两种模式下的能量耗散方程。采用多级载荷加载试验获得沿叶片展向的挠度分布情况和加载点刚度值,通过叶片的自由衰减试验获得阻尼比值。最后对aeroblade1.5-40.3风机叶片进行1个振动周期的能耗计算,得出在相同振幅下,共振加载模式的能耗小于强迫加载模式能耗的1/3。研究结果为后续的风机叶片疲劳加载试验打下基础。     

无叶片风力机捕能柱涡激摆动特性及捕能效率

针对无叶片风力机捕能柱的涡激摆动特性,构建捕能柱系统简化的质量-阻尼-弹簧振动模型,推导其固有频率与捕能效率的计算式,并结合k-ωSST湍流模型和动网格方法,建立捕能柱涡激摆动的仿真模型并进行验证,探究捕能柱质量比、系统阻尼比和固有频率对其涡激摆动特性与捕能效率的影响.结果表明:捕能柱涡激摆动最大摆幅与捕能效率均发生在...     

风力机桨叶结构振动特性有限元分析

假设风力机叶片是一个末端固支的悬臂梁结构,以有限元方法建立风力机叶片的振动方程,以实际的风力机７ＦＤ－２００为例,应用国际通用的大型有限元分析程序ＡＬＧＯＲ－ＦＥＡＳ,对其振动特性进行分析。ＢＯＲＬＡＮＤＣ３．１语言为编程工具,在ＡｕｔｏＣＡＤ１２ｆｏｒ ＷｉｎＡＤＳ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ环境下开发了简便易用的前处理模块,自动生成叶片的有限元网格图。在计算中,把风力机叶片的振动分为垂直于旋转平面     

小型水平轴风力机叶片的振动性能的研究

利用振动与噪声测试和分析系统，对小型300W叶片进行实验模态分析。使用BSWA VS302 USB双通道声学振动分析仪对输入和响应信号进行测量和参数辨识，再通过ME’scope VES软件分析来获得叶片的模态特性参数，可以为今后叶片优化设计提供参考。     

大型风力机齿轮传动系统机电耦合动态特性研究

针对目前风力机柔性齿轮箱动力学研究时简化电气系统的问题,以某8 MW永磁同步风力机为对象,建立包含详细电气系统和柔性传动链的风力机模型。基于该模型探究电气系统效应对风力机齿轮箱啮合刚度、动态接触应力、振动加速度等动力学特性影响。结果表明：电气系统效应使系统转速、时变啮合刚度、接触应力相位滞后且波动减小;电气系统效应抑制各级齿轮角加速度及箱体振动加速度高频成分并减小传动链振动;风速突变时,电气系统效应可减小高速级齿轮峰值啮合力,增强风力机传动链抵御冲击能力。     

Influence of microcylinders with different vibration laws on the flow control effect of a horizontal axis wind turbine

Due to the flow separation on the blade of the NREL Phase VI wind turbine, a new flow control technique involving installation of an off‐surface vibrating small structure is proposed. By considering the actual flow condition, fluid‐solid coupling is applied in which two kinds of microcylinder vibration modes are set up, and the aerodynamic performance is numerically studied. The influence of the vibration modes, amplitude, and frequency of the off‐surface vibrating small structure on the aerodynamic performance is explored. For various stall conditions, the flow separation can be well suppressed by utilizing a suitable vibrating microcylinder rather than a static microcylinder. In addition, the vibrating microcylinder shows a noticeable suppression effect on large flow separation. Both the vibration direction and vibration amplitude play leading roles in the improvement of the aerodynamic performance, and a microcylinder with a high vibration frequency can more quickly suppress surface flow separation to achieve an optimum aerodynamic performance than a microcylinder with a low vibration frequency. By setting microcylinders with suitable vibration rules close to the blade surface, the wind energy coefficient can be obviously increased compared with those obtained when adding a static microcylinder or without microcylinder addition.