风波联合作用下5MW海上风力机的疲劳载荷特性分析

海上风力机在风和波浪的联合作用下运行,受到风、波浪等产生的随机交变载荷作用,在设计寿命期间要受到超过108的载荷循环,风力机疲劳荷载特性是风力机设计的重要问题。文章以NREL 5 MW单桩式海上风力机为研究对象,采用IEC标准中Kaimal谱模拟风况、莫里森公式模拟海浪,建立海上风力机的动态模型,应用FAST软件研究风力发电机组在IEC疲劳工况下,正常发电、发电出现脱网故障、启动、正常停机的荷载特性,得到叶片、塔筒上的载荷分布等,研究风力机叶片、塔筒载荷变化规律,为风力机结构疲劳寿命损耗估算、优化设计提供可靠依据。     

动态来流对风力机性能的影响

应用ICEM-CFD建立结构化网格,采用滑移网格的方法对NREL 5MW风力机的气动性能进行了数值模拟。计算了不同风况下风力机3个叶片表面的气动载荷分布,得到不同风况下风力机的气动性能。模拟结果表明,垂直风切变风况、阵风风况对叶片表面载荷分布影响较小,风向变化风况对叶片表面载荷分布影响较大;动态来流会使风力机近尾迹涡的位置及结构发生改变;垂直风切变风况下,风机尾迹速度在4D处几乎恢复到主流速度,阵风风况下,尾迹速度在6D处几乎恢复到主流速度,风向变化风况下,尾迹速度在10D处才接近主流速度。     

基于x-LMS的智能叶片风力机复合主动降载控制方法

为研究大型风力机的主动降载控制方法,以NREL 5 MW参考风力机为研究对象,建立了具有尾缘襟翼的智能叶片风力机非定常气动模型,并分析其非定常气动性能。基于x-LMS分别对桨距角和尾缘襟翼角进行控制,提出将二者结合的复合主动降载控制方法,并分析了在不同风况下所提控制方法的控制效果。结果表明:所建模型可有效模拟出智能叶片风力机的非定常气动性能;所提控制方法可同时抑制高频与低频叶根挥舞弯矩波动,并显著降低叶片疲劳载荷,有利于风力机的稳定运行。     

基于流固耦合的风力机塔筒动态特性分析

塔筒动态特性分析对风力发电机的振动设计起着关键作用。文章以1.5 MW风力发电机塔筒为研究对象,将叶片旋转和随机风载荷作为载荷输入条件,建立风力机塔筒叶片旋转载荷模型、流固耦合风载荷模型、结构动力学方程,分析计算得到随机载荷下叶片旋转和风载共同作用时,风力机塔筒动态特性评估方法。     

智能叶片风力机建模及多目标尾缘襟翼控制

为了研究尾缘襟翼在风力机主动降载和功率控制方面的效果,以NREL 5 MW参考风力机为研究对象,在每个叶片上增加了2段独立的尾缘襟翼。首先,建立了智能叶片风力机气动、传动链以及发电机模型,进而在Matlab/Simulink中搭建了带有尾缘襟翼的智能叶片风力机模型,并在不同风况下使用FAST气弹仿真平台对所建模型进行对比验证,最后在智能叶片风力机模型基础上设计了多目标多襟翼控制。结果表明:与FAST气弹仿真平台相比,智能叶片风力机模型各项参数偏差均小于10%,精度较高;在多目标多襟翼控制作用下,风力机的叶根挥舞弯矩在1P频率处的功率谱密度减少了89.73%,发电机功率标准差减少了75.07%。     

预弯外形对风力机叶片气弹稳定性的影响

为了研究预弯外形对风力机气弹稳定性的影响,以某2 MW低风速风电叶片为研究对象,采用外形参数化表达方法构造叶尖预弯量分别为3、4和5 m的叶片.基于SIMPACK软件建立并验证气-弹-控耦合的风力机整机模型,对配装不同预弯叶片的风力机进行仿真分析.结果显示,在湍流风况下,随着叶尖预弯量的增大,叶根载荷、叶尖附近截面的气...     

不同风载及地震载荷下单桩及三桩式海上风力机动力学响应差异性研究

为探究单桩及三桩式海上风力机在不同风载荷及地震载荷作用下动力学响应的差异,以DTU 10 MW风力机为研究对象,考虑湍流风及地震载荷作用,基于p-y曲线法及Winkler土-构相互作用理论,构建土-构耦合模型,开展单桩及三桩式海上风力机动力学响应比较研究。结果表明：在湍流风作用下,三桩式风力机较单桩式塔顶位移峰值响应较小,结构更稳定;单桩式风力机呈局部小应力、整体大应力现象;而三桩式风力机呈局部大应力,整体小应力现象。在湍流风与地震载荷联合作用下,三桩式风力机相较于单桩式位移峰值受地震载荷影响波动较大,但其在不同风速及不同强度地震作用下峰值节点位移总体仍小于单桩式。     

不同海况下近海超大型风力机动力学响应及结构损伤分析

以超大型DTU 10 MW单桩式近海风力机为研究对象,通过p-y曲线和非线性弹簧建立桩-土耦合模型,选取Kaimal风谱模型建立湍流风场,基于P-M谱定义不同频率波浪分布,并利用辐射/绕射理论计算波浪载荷,采用有限元方法对不同海况下单桩式风力机进行动力学响应、疲劳及屈曲分析。结果表明：不同海况波浪载荷作用下塔顶位移响应及等效应力峰值远小于风及风浪联合作用,其中风浪联合作用下风力机塔顶位移响应及等效应力略小于风载荷;波浪载荷对风载荷引起的单桩式风力机动力学响应具有一定抑制作用,此外相较于波浪载荷,风载荷为控制载荷;风载荷与风浪联合作用下风力机等效应力峰值位于塔顶与机舱连接处,波浪载荷风力机等效应力峰值位于支撑结构与桩基连接处;仅以风载荷预估风力机塔架疲劳寿命将导致预估不足;随着波浪载荷的增大,风力机失稳风险加大,波浪载荷不可忽略;不同海况下,风浪联合作用局部屈曲区域位于塔架中下端,在风力机抗风浪设计时,应重点关注此处;变桨效应可大幅降低风力机动力学响应、疲劳损伤及发生屈曲的风险。     

大型风力机地震动力响应研究

为研究地震载荷与风载荷联合作用下的大型风力机结构动力学响应,本文研究分别以Wind PACT 1.5 MW和NREL 5 MW风力机为研究对象,采用EI Centro 6.9级地震为输入激励,通过改进版的开源软件FAST(风电载荷仿真软件)计算风力机在正常运行、紧急停机和一直停机3种运行方式下的塔顶振动和塔架结构荷载情况,结果表明:地震载荷极大加剧了塔顶振动,机舱加速度峰值增大2倍以上。紧急停机操作可减小塔尖位移,一定程度上可以保护风力机结构安全。地震载荷主要增大了塔架一阶固有频率及其二倍频的振动。6.9级地震与额定风载荷联合作用下,NREL 5MW风力机塔基弯矩设计需求为159 MN·m,略大于极限风载荷作用。说明地震常发地区,塔架结构强度设计必须考虑地震载荷作用。     

台风作用下近海风力机叶片的空气动力载荷研究

结合2005年0518号台风"Damrey"的实测时程数据,参考美国可再生能源实验室5 MW风力机主要设计参数,重点研究台风作用下近海风力机叶片的空气动力载荷特征。首先,鉴于完整台风实测数据跨越时间较长,且风速和风向变化具有显著的时段特征,因此科学截取一段具有代表性的3 h台风风速-风向时程数据。其次,综合考虑5 MW风力机叶片主要截面翼型设计参数和变速变桨控制系统,基于叶素动量(BEM)理论模拟分析代表性台风时程下风力机叶片的空气动力载荷特征,并将该数值模拟结果与相关简化计算结果进行对比分析,揭示风力机变速变桨控制系统的时滞性对台风作用下叶片空气动力载荷的重要影响。最后,进一步研究风力机停机状态下的叶片台风载荷特征,建议在台风作用下采用主动顺桨叶停机策略,以实现降低叶片气动载荷保证风力机主体结构安全的目的。     

极端风况下双转子风力机降载复合控制策略

为降低双转子风力机在极端风况下的大波动载荷,基于双转子风力机气动与控制仿真系统,提出了基于独立变桨自抗扰控制器和偏航模糊控制器的降载复合控制策略,并分析了正常风况和极端风况下该策略的控制效果。结果表明：与传统PID独立变桨控制相比,在极端运行阵风和极端湍流模型下,独立变桨自抗扰控制方法使叶根挥舞弯矩标准差减小18%以上;与传统恒速偏航控制相比,在极端风向变化下,偏航模糊控制方法使偏航轴承滚动力矩标准差减小约27%。降载复合控制策略有效降低了极端风况下双转子风力机的大载荷,抑制了功率波动。     

大偏航角下基于IPC的风力机变速率停机控制研究

通过分析机组在触发偏航超限停机过程中，叶片在不同方位角下的受力情况，指出大偏航角下叶片受载不均衡是导致轮毂中心出现极限载荷的根源，并研究桨距角与偏航角方向对不均衡受载的影响，在原始控制策略的基础上，引入基于叶轮方位角的独立变桨控制（IPC）变速率停机策略，减小机组在负向大偏航下的气动不平衡，大大降低了轮毂与偏航轴承中心极限载荷，依据IEC标准，并以某7.0 MW海上风力机为研究对象，通过偏航超限工况载荷计算，对比分析发现，基于叶轮方位角IPC变速率停机策略，可减小不平衡推力引入的倾覆弯矩，达到减小机组载荷的目的，为此特定风况下的降载提供了可靠依据。     

风力机叶片在三维湍流下的载荷分析

载荷计算是风力机设计中最为关键的基础性工作,也是所有后续风力机设计、分析工作的基础.文章研究了在叶片坐标系下风力机主要载荷的确定方法;应用bladed软件计算稳态风速下的稳态运行载荷,并考虑湍流模型的影响;采用Improved yon Karman模型,将得到风文件加载到bladed里,来计算此风速下的空转运行载荷;最后通过自由频谱图验证整机是否有共振现象.     

海冰作用下近海桩柱式风力机动力学响应研究

高纬度低温海域海平面存在大量运动状态的海冰,位于此处的近海桩柱式风力机容易受到不规则的海冰载荷作用,风力机平台、塔架和叶片等结构部件的动力学响应均受其影响.为定性及定量分析海冰载荷对叶片和塔架的结构动力学响应的影响程度,以NREL5 MW近海4桩柱式风力机为研究对象,耦合风载荷、波浪载荷及海冰载荷,通过Kane方法建立风力机动力学模型,其中海冰载荷通过冰力函数定义.对比分析了在IEC Lock in冰力函数、Mttnen海冰模型和无海冰作用三种工况下叶片和塔架的结构动力学响应,结果表明:海冰载荷使塔顶位移增加,在Mttnen海冰模型作用下塔顶位移增加了24.1%,在IEC Lock in模型作用下则增加了16%;两种海冰模型均不同程度地使叶片挥舞振动的频率增大,其中在Mttnen海冰模型中变化更加剧烈,这极大地增加了叶片的疲劳载荷.     

随机风载荷下大型风力机叶片/机舱/塔架耦合动力学分析

由于风力机叶片所受风力来流的随机性和风力机结构的复杂性,大型风力机在随机风载荷下的动力学行为分析一直是风电行业急需解决的难题之一。利用MATLAB/Simulink对随机风速进行了模拟,通过柔性多体动力学方法建立了符合实际的风力机叶片/机舱/塔架耦合动力学方程。在随机风载荷下对目前国内1.5 MW主流风力机的叶片、塔架的动力学行为进行了实例分析,得到了10 min时序随机风载下的叶片挥舞位移、速度历程和塔架的位移、速度历程。分析结果表明,在随机风载下,风力机启动时叶片、塔架振动较为剧烈,随时间的增加叶片、塔架振动幅度逐渐减小,振动速度也呈减小趋势。该研究结果为我国风力机设计理论的完善和工程实践奠定了一定的基础。     

多海况下海上风力机组基础载荷特性分析

在相同的风况下设计了5组不同的波浪、海流,作为海上风力机的外界环境扰动。依据IEC标准,设计海上风力机等效疲劳载荷计算工况,并以某3.0 MW海上风力机组为对象进行极限载荷及等效疲劳载荷计算,在5组不同风浪联合作用下,通过对载荷对比、频谱分析及基础载荷的模态分析表明,波浪及海流对基础共振有一定影响。该研究为海上风力发电机组基础设计提供了可靠依据。     

基于整机刚柔耦合的风力机叶片气弹稳定性分析

为了研究弯扭柔性叶片在实际工况下的气弹变形及气弹稳定性问题,文章以某2 MW低风速风力机为对象,基于SIMPACK通用软件,构建了风力机整机刚柔耦合多体动力学气-弹-控联合仿真模型。文章提出了可定量分析叶尖截面失速特性的新方法,在控制系统正常和控制系统失效两种工况下对叶片的气弹稳定性进行了时域和频域分析。在湍流风况下,对叶片的气弹变形进行了计算分析,通过与GH Bladed软件的分析结果进行对比,验证了风力机气弹动力学模型和气弹分析方法的正确性。基于整机刚柔耦合提出的风力机叶片气弹稳定性分析方法有利于解决风力机大型高效与轻量可靠之间的矛盾。     

尾缘襟翼结构参数对大型风机气动性能影响的仿真研究

利用FAST仿真平台,研究了大型风机智能叶片的尾缘襟翼结构参数对叶片载荷抑制和功率捕获等气动性能的影响。仿真结果表明:尾缘襟翼位于叶尖部位时,在不同风况下,襟翼对叶片具有较好的降载效果,低风况及过渡风况下,功率捕获损失较小;增加襟翼占弦比、长度和摆角范围,在低风况及过渡风况下,可进一步提高叶片的降载能力,但存在一定的功率损失;在高风况下,襟翼占弦比、长度和摆角范围均存在提高叶片降载能力的最佳值,且这3个参数的变化对功率捕获无影响。     

风力机叶片动态气弹变形及其对整机性能的影响

基于风力机整机刚柔耦合模型,文章提出了一种叶片动态气弹扭转变形分析的新方法。该方法采用SIMPACK和AeroDyn软件联合数值仿真对风力机在几种恶劣风况下进行动力学分析,通过对分析结果的变换处理,进而得到叶片在复杂工况下的动态气弹变形数据。采用该方法,重点分析了叶片气弹扭转变形对风力机气动功率及气弹稳定性的影响。该方法为大型风电叶片的气弹特性评价以及气弹剪裁设计提供了一种新的技术手段。     

风力机尾缘襟翼结构参数优化及控制性能分析

为研究适应不同风况下的尾缘襟翼最优结构参数,以NREL 5MW风力机为参考对象,对FAST进行二次开发,在Matlab/Simulink上搭建了带尾缘襟翼的风力机气动弹性伺服仿真平台;以11.4m/s稳定风为例,综合考虑尾缘襟翼位置、长度、占弦比及摆角范围对风力机载荷抑制及功率捕获的影响,提出了基于正交设计的大型智能风力机尾缘襟翼的参数优化方法,得到一组最优的尾缘襟翼结构参数;研究了标准湍流风况下尾缘襟翼控制对风力机动态性能的影响.结果表明:尾缘襟翼不仅可显著降低叶片的疲劳载荷、减少变桨机构动作,还可有效抑制风力机输出功率的波动.