水平轴风力机柔性叶片气弹耦合分析

针对水平轴风力机柔性叶片的气弹耦合模型与数值积分方法进行研究。首先应用超级单元法,将柔性叶片离散为若干个超级单元,单元内刚体之间由带有力元弹簧和阻尼器的万向节或转动铰联接,以描述叶片的挥舞、摆振和扭转等运动;基于计算多体动力学理论,应用R-W(Roberson-Wittenburg)方法,导出带约束的旋转叶片多体系统动力学方程;基于叶素理论,计算叶片变形状态下各刚体所受的气动力,在数值积分过程中实时实现两者之间的耦合。算例分析了某1.5 MW风力机叶片在一定风速和转速下的气弹耦合。结果表明超级单元法能用较少的自由度准确描述柔性叶片的弹性变形、气动载荷和叶片位移间的耦合,为风力机整机气动弹性耦合及稳定性分析提供了实用的分析方法。     

非定常条件下风力机柔性叶片气弹耦合分析

研究叶片振动与扭转变形对气动载荷的反馈以及基于静、动态气动模型的叶根载荷的差异。应用计算多体动力学理论和叶片气动模型,建立受约束的柔性叶片非线性气弹耦合方程,得出叶片气弹耦合时域响应。以某5 MW风力机叶片为研究对象,研究柔性叶片的振动和变形对叶根力矩的反馈;在修正的叶素动量理论(BEM)基础上,引入Beddoes-Lesihman动态失速模型,考察叶片气动载荷的非定常效应。分析表明,随着叶片柔性增加,气弹耦合现象愈加明显;动态失速将引起叶片载荷有较大的振荡幅值和频率,影响叶片疲劳载荷谱的分析和疲劳寿命的设计。     

风力机叶片翼段气弹变形对翼型气动特性影响分析

当前弹性变形对风力机性能的影响是叶片气弹耦合机理研究重点,忽略了气弹变形对翼型气动特性的影响,而风力机性能很大程度上取决于变形后翼型气动性能。基于叶素动量理论及有限元法,采用MATLAB与APDL语言编制气动载荷插值程序,建立复合材料风力机叶片翼段气弹耦合模型。针对某2 MW实际叶片变形较大的叶尖附近翼段,选取厚度相同的3种不同翼型,通过不断迭代收敛研究翼段气弹变形对翼型气动特性的影响。研究表明,3种翼型气弹变形对其气动性能均有不同程度影响,而对WT180翼型影响较小。该研究对于设计抗气弹变形的新型翼型具有重要的理论指导作用。     

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。     

风力机叶片及翼型变形分析

在以往有关风力机叶片变形的研究中,主要关注挥舞、扭转变形。但事实上,由翼型自身的柔性变形所引起的翼型弯度、厚度变化对气动性能也有较大的影响。文章以NERL某5 MW风力机为例,利用Bladed软件计算风力机叶片载荷,并将载荷通过MPC多点约束的方式加载到ANSYS有限元模型中,研究柔性叶片翼型截面的变形情况。研究表明,翼型横截面扭转变形不是整体的挥舞、扭转变形,从腹板到尾缘段的扭转幅度比腹板到前缘段的幅度要大,翼型截面自身也会发生形变进而影响叶片的气动性能。     

基于模态阻尼比的风电叶片气弹特性研究

以考虑叶片挥舞和摆振两个方向自由度的气弹分析模型为基础,通过Matlab软件编写仿真分析程序,对某5 MW叶片的叶素气弹阻尼、叶片模态和整体叶片模态气动阻尼比等进行仿真分析。结果表明,该叶片模型在正常设计运行范围内,各阶模态气动阻尼比均为正值,气弹特性稳定;并提出将整体叶片模态气动阻尼比随桨矩角变化曲线同风电机组正常运行风速随桨矩角变化曲线相结合,进行风电机组叶片气弹稳定性的判定方法。     

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。     

偏航工况下水平轴风力机叶片气动变形数值模拟研究

以非定常叶素动量方法和水平轴风力机结构动力学为基础,建立风力机气弹计算的仿真程序,将偏航模型耦合进气弹程序中,针对某5 MW水平轴风力机进行仿真计算,分析比较了该风力机在不同偏航角工况下叶片变形沿径向和周向的分布情况,总结了不同偏航工况对风力机叶片变形的影响规律。研究结果对风力机叶片设计和疲劳寿命的预测有一定的指导意义。     

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。     

切出风速下风力机变桨故障叶片气动特性及准静态结构响应分析

为探究大型水平轴风力机达到切出风速停机后变桨故障叶片的气动特性及准静态结构响应,基于计算流体力学方法对NREL 5 MW风力机变桨故障/成功叶片气动侧状态进行分析,并利用双向弱流固耦合及曲屈分析对典型方位角下变桨故障叶片展开研究。结果显示：切出风速下变桨故障叶片挥舞力矩平均值为变桨成功叶片的13.8倍,且前者的流场尾迹更为明显。此外,180°方位角变桨故障叶片较之0°方位角变桨故障叶片应力及叶尖位移分别减小29.8%和32.7%,一阶屈曲因子增加20.2%。     

风力机气动弹性稳定性的研究

建立了风力机转子叶片的非线性运动方程。采用模态法求解挥舞、摆振、扭转微分方程，并应用数值结果对风力机气动弹性稳定性进行了分析。     

兆瓦级风力发电机叶片动力学响应分析

应用现代柔性多体动力学和有限元数值分析相结合的理论建立风力机旋转叶片结构的系统动力学方程,并对微分方程数值求解的方法进行了研究;运用Bladed软件对1.5 MW风力发电机进行建模,分析叶片的结构动力学响应,得到系统的固有频率以及正常工况、启动工况和停车工况下3叶片挥舞方向和摆振方向的振动位移情况,判断风力发电机组运行的稳定性。     

复合材料叶片截面刚度对风力机叶片气弹响应的敏感性研究

为更深入考查叶片刚度对风力机气弹响应的影响，对叶片截面的刚度矩阵中的主对角线刚度系数在稳态风和湍流风况下的风力机气弹响应的影响以及敏感性进行系统研究。气弹模型中的气动模块采用基于叶素动量理论，并采用几何精确梁理论对叶片的结构动力学响应进行仿真。选用美国可再生能源实验室（NREL）5 MW风力机组作为基准模型，调整叶片各截面刚度矩阵的主对角线刚度系数，利用敏感性影响因子评估刚度系数变化对叶片载荷的影响。结果表明：主对角线上挥舞方向的剪切刚度、挥舞弯曲刚度、摆振弯曲刚度、扭转刚度对气弹响应具有中高的敏感性。研究结果对掌握风力机气弹响应规律，发掘更深层次的风力机叶片设计方法提供了一定的指导意义。该方法能进一步扩展至研究叶片刚度对风力机机组气弹响应的敏感性研究。     

风力机桨叶气动弹性稳定性

本文利用有限元法分析了水平轴风机桨叶的气动弹性稳定性问题,根据最小位能原理导出了桨叶挥舞——摆振——扭转全耦合运动方程。采用准定常二维翼型理论求解了气动载荷。并用简单算例说明本方法的可行性。     

风力机主动柔性翼型气动特性研究

选取NREL S809翼型进行柔性尾缘翼型的数值计算,其中静态特性计算采用势流方程与边界层方程耦合,动态特性计算采用RANS方程与湍流模型进行CFD求解,尾缘几何变形采用C语言编程通过插值拟合完成,柔性翼型周围区域流场划分采用动网格技术实现。通过数值分析,研究了翼型变形后的静态气动特性差异、柔性翼型表面压力分布及动态气动特性随尾缘摆角的变化规律。     

钝后缘翼型及其在风力机叶片中的应用研究

基于某2.0 MW风机叶片,将其在原翼型基础上改进为钝后缘翼型,运用RFOIL工具及ViternaCorrigan失速模型计算得到翼型全攻角范围内的气动数据,然后运用FOCUS等软件计算了应用钝后缘翼型的叶片在气动和结构特性方面的变化。计算显示,适当在叶根区域应用钝后缘翼型,对叶片的气动特性影响不明显,却能显著提升叶片的扭转、挥舞和摆振刚度,提高叶片的结构安全裕度和结构设计的灵活性。     

绝对节点坐标法大型风力机复合材料叶片的动态特性

为研究大型风力机旋转复合材料叶片的非线性结构动态特性,采用绝对节点坐标法,并基于一般连续介质力学理论和复合材料本构关系,推导广义质量与刚度矩阵,建立大型风力机旋转复合材料叶片的非线性动力学模型。为描述叶片的转动,引入大范围转动连体坐标系,结合摄动原理及线性化方法,构建旋转叶片的状态方程。以非线性梁标准算例验证了模型的准确性,并以DTU-10MW风力机复合材料叶片为对象,分析了静止与旋转条件下的动态特性。结果表明,由于叶片的大型化和非线性变形特点,叶片静止时的挥舞、摆振和扭转振型存在显著耦合;由于动力刚化效应,叶片的各阶频率会随着转速的提高而改变,并对振型的挥舞和摆振产生较大影响。     

考虑风力机叶片截面扭转运动及外形变化的气动弹性分析

把叶片简化成非均匀悬臂梁,利用二结点梁单元进行离散化建模,分析截面扭转、挥舞和摆振导致外形变化后的动态气动特性。在建立叶片结构动力学方程、计算叶片所受载荷的基础上,运用Newmark法,编制相应程序,以某5MW海上风力机为例,通过迭代计算,分析截面扭角变化、挥舞倾角和摆振倾角对叶片气动力和气动力矩的反馈作用。     

风力机旋转叶片动力学方程的Neumann级数解法

运用现代柔性多体动力学方法,研究了水平轴风力机柔性叶片空间旋转运动与其弹性变形间的相互耦合关系及其所导致的动力学效应;导出了旋转叶片的有限元动力学方程及其数值求解方法;对大型风力机叶片在机械和气动载荷作用下的弯曲变形进行了动态模拟。由于该有限元动力学方程为时变方程,文中应用Neumann级数和Newmark直接积分方法求解动力方程,编制了相应的计算机程序;以1.5MW风力机叶片为例,计算了风力机在启动、刹车和正常运转时的叶片弯曲挠度响应,并与常规有限元数值分析结果进行了比较。结果表明,该方法能有效地求解该类时变方程并准确地反映旋转叶片的动力学特性和动力学响应,本文工作为进一步进行叶片强度和气动弹性稳定性分析打下了基础。     

水平轴风力机柔性叶片气动弹性响应分析

基于模态分析法,通过二节点悬臂梁单元对柔性叶片进行离散化分析,得到水平轴风力机柔性叶片在挥舞、摆振和扭转方向上的固有特性;利用Newmark常平均加速度法和振型解耦实现各阶的振型结构动力响应分析。以某5MW大型风力机为例,分析高阶特征模态对叶片动态响应的影响,同时考虑截面扭角变化前后对气动弹性载荷的反馈作用。结果表明,大型风力机柔性叶片在旋转过程中的振动和变形相当大,截面扭转变化对风力机的气动弹性问题有较大影响。