风力发电机风叶系统的振动测试及研究

为进行风电叶片振动系统的分析,采用Wilson方法优化设计了一台离网型水平轴风力机的叶片,同时采用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.为了验证仿真效果,在平衡机上对离网型风力机实物进行了测试,并进行了分析.     

基于MATLAB与Pro/E的风力机风轮设计及造型

针对风力机风轮设计复杂、造型困难的问题,根据Wilson法的设计流程,采用MATLAB开发了小型风力机叶片气动外形设计的通用程序,自动输出叶片截面空间坐标,解决了MATLAB与Pro/E之间的数据传输问题,程序得到的设计结果直接导入Pro/E,实现了风轮的三维造型.该方法同时完成了风轮的程序化设计和参数化造型,提高了风轮设计与造型的效率和精度.     

风力机结构耦合振动分析

采用通用动态尾流理论进行风力机气动力学的计算分析,并用MATLAB/Simulink进行编程,建立了风力机传动链的数学模型。在MATLAB/Simulink中进行传动链系统的编程运算,建立了风力机ADAMS柔性多体结构动力学仿真模型,并利用MATLAB/Simulink和ADAMS进行风力机振动性能的联合仿真。仿真时将气动载荷加载到风力机叶片结构上,将传动系统模型的反扭矩加到ADAMS风轮模型上,同时考虑风力机的结构变形对气动性能、传动性能产生的影响。仿真最终实现了风力机系统振动性能耦合分析,其数据同实验测试数据比较表明,该联合仿真方法可以较好地模拟风力机的振动特性。     

基于通用翼型的小型风力机叶片结构设计与性能分析

以风力机的通用集成翼型为对象,分析了通用翼型升力系数、升阻比等气动性能.选取了自主设计的相对厚度为18％风力机通用翼型,完成了小型风力机叶片的气动外形设计.以修正的风力机风轮空气动力学模型为基础确定了叶片弦长以及扭角的分布.根据叶片的形状参数,完成了叶片的三维实体以及有限元模型的建立,应用ANSYS软件分析了叶片的结构...     

5MW风力机叶片结构力学特性有限元分析

随着风力机叶片大型化,叶片载荷水平不断提高,对其结构力学性能要求越来越高。以NREL 5MW风力机叶片为分析对象,利用叶素-动量理论及其修正方法编程计算叶片风载荷,采用有限元软件ANSYS开展叶片的静力学和模态固有特性分析,分析了叶片叶尖变形量与腹板厚度的关系,掌握了叶片关键部位的应力分布情况,获得了叶片低阶模态振动与固有频率,将为叶片结构设计、强度校核及优化提供数据基础。     

风力发电机旋转叶片振动分析

利用ANSYS软件,通过FLM,对20kW水平轴风力机旋转叶片施加了重力和旋转离心力,并进行叶片建模和网格划分,最后完成预应力状态下的振动模态分析,得到了其前十阶振动频率和振型.针对得到的振动数据和振动特性进行分析,结果表明叶片的振动主要有挥舞、摆振和扭振,振动能量集中在一、二阶,而主要振动形式是挥舞和摆振.依据一、二阶振型可以得到其实际固有频率,实验结果和理论值误差很小,只有-3.5％,说明实验方法可行,实验结果准确,并对其运行时的安全稳定性进行了验证,这些实验数据对风力机叶片的研究开发具有一定的指导意义.     

大型风力发电机柔性体叶片动力特性研究

风力机叶片的动力特性会影响整机的性能,鉴于大型风力机叶片的柔性化特点,采用柔性多体动力学方法来研究大型风机叶片更加符合实际.考虑复合材料叶片各向异性的特点,通过ANSYS和ADAMS软件建立了750 kW风机叶片的柔性体模型及风轮的刚柔混合体模型,利用载荷的文档输入法将BLADED计算的风力机载荷生成曲线并加载到风机上,对风轮进行动力学仿真分析.结果得到了风机叶片的动态特性数据,并与刚性体叶片特性进行对比,这将有助于风机整机动态特性的研究,也为大型风机叶片的故障分析、优化设计提供参考.     

垂直轴阻力型风力机功率计算与Fluent数值模拟

以一小型风力机作实捌,运用2种方法分别计算垂直轴阻力型风力机的风能利用率。一种方法是通过对风力机叶片受力分析,利用风力和功率计算公式,借助Matlab工具计算;另一种方法是利用Fluent软件分析风力机在给定风速下的气动性能,仿真叶片气动流场流态,并计算叶轮的扭转力矩和风能利用系数等参数。比较2种方法的优缺点,有助于垂直轴风力机的设计研发。     

风力机叶片的弯扭耦合振动分析

根据一般粘性阻尼叶片的弯扭耦合振动模型,利用有限差分方法对叶片的动力方程进行离散处理,得到了叶片的质量、阻尼和刚度矩阵。然后运用MATLAB振动工具箱对系统的弯扭耦合振动进行了仿真分析,求出四种不同类型叶片的六阶固有频率和振型,并与相关文献进行了比较分析。在建立叶片系统的线性定常状态空间方程的基础上,对叶片施加初始位移扰动,通过运用时间离散和MATLAB振动工具箱,得到叶片在弯扭方向的收敛、颤振和发散振动仿真曲线。论文的研究对风力机叶片的设计生产有一定的借鉴意义。     

风力机叶片优化设计及模态分析研究

以叶素-动量理论为基础,对1.0 MW风力机叶片进行气动外形设计。采用Wilson方法建立叶片外形设计数学模型,模型考虑了叶片梢部损失、根部损失和轴向、周向干扰因子对叶片空气动力学性能的影响,以MATLAB为工具实现对各外形参数的求解,并对计算结果进行线性化修正处理,获得了优化的弦长和扭角。通过坐标变换原理将翼型二维离散数据点转换成叶片三维空间坐标点,另外在变换坐标过程中结合图形学,将坐标的旋转变换转化到绘图过程中实现。绘制叶片各截面的空间样条曲线,基于Pro/E的自由曲面造型功能对风力机叶片进行建模,并采用ANSYS软件对叶片进行模态分析,得到了叶片的固有频率及振型,为风轮动力学分析奠定了基础。     

Integrated aero-structural optimization design of pre-bend wind turbine blades

In the optimization design of a pre-bend wind turbine blade, there is a coupling relationship between blade aerodynamic shape and structural layup. The evaluation index of a wind turbine blade not only shows on conventional ones, such as Annual energy production (AEP), cost, and quality, but also includes the size of the loads on the hub or tower. Hence, the design of pre-bend wind turbine blades is a true multi-objective engineering task. To make the integrative optimization design of the pre-bend blade, new methods for the blade’s pre-bend profile design and structural analysis for the blade sections were presented, under dangerous working conditions, and considering the fundamental control characteristics of the wind turbine, an integrated aerodynamic-structural design technique for pre-bend blades was developed based on the Multi-objective particle swarm optimization algorithm (MOPSO). By using the optimization method, a three-dimensional Pareto-optimal set, which can satisfy different matching requirements from overall design of a wind turbine, was obtained. The most suitable solution was chosen from the Pareto-optimal set and compared with the original 1.5 MW blade. The results show that the optimized blade have better performance in every aspect, which verifies the feasibility of this new method for the design of pre-bend wind turbine blades.

     

叶片振动响应的长度分形故障特征提取与诊断

为有效地从风力发电机组的振动响应中获得反映叶片响应的动态特征,将其作为叶片运行状态分析的特征量,依此达到对风力机叶片故障的检测与诊断识别.应用有限元分析方法,建立了300 W风力发电机组的动力学模型,通过计算与试验模态分析,分别获得整机组的固有频率和振型,并比较验证了试验模型的合理性.用锤击法测得叶片正常状态和偏心故障下的振动加速度响应信号,应用非线性动力系统的长度分形维数理论,计算其长度分形维数,并将其作为叶片偏心故障诊断识别的特征量.研究结果表明,该方法能有效识别风力机叶片正常状态和偏心故障状态,及其偏心位置和偏心量大小.     

大型风力发电机复合材料叶片动态特性分析

以1.2 MW风力机叶片为研究对象,采用参数化建模技术建立大型风力机复合材料叶片的三维有限元壳模型,在此基础上采用拟波前子空间迭代法准确计算了基于多因素耦合作用下复合材料叶片的固有频率和振型。进而分析了不同形式的振动对旋转叶片的影响机理,该计算方法对大型复合材料风力机叶片的结构设计具有一定的参考价值。     

风力机叶片立体图的设计

按照叶片设计的实际过程，在涡流理论设计叶片参数的基础上，提出了一种能在计算机上立体显示叶片截面及结构的设计方法。即基于点的坐标的几何变换理论求解叶片各截面在空间实际位置的三维坐标，基于三维几何建模理论对叶片实体建模。本研究为风力机叶片及其它相似复杂形体的计算机绘图提供了依据，为叶片进一步分析奠定了基础。     

大型风力机叶片研究现状与发展趋势

叶片是风力机最为关键的部件之一,叶片、轮毂组成的风轮是能量捕获机构,将风能转变为机械能,与此同时,叶片又是风力机力源,主要承载部件,对整个风力机安全运行起着关键作用。在对大型风力机及其叶片产业发展现状分析基础上,从气动外形与结构设计现状、运行监测与控制技术现状、发展趋势与有待研究的问题等几个角度进行较为全面的梳理总结,从而从总体上把握现代大型风力机叶片研究现状及发展趋势。指出今后将在针对抗台风叶片、低风速叶片、仿生叶片和低噪音叶片等的个性化设计,具有外部载荷环境和自身结构状态变化感知功能的智能风力机叶片设计等方面进一步发展;已经形成的风力机叶片设计、制造及运行监控理论等还要随着大批量风力机全生命周期服役实践,进一步完善和发展。     

风力机叶片气动设计与结构研究

采用Wilson模型优化设计水平轴风力机叶片的气动外形;利用有限元软件对玻璃钢叶片在风力、重力和离心力的耦合作用下的静力学、稳定性和动力学进行仿真分析.通过对叶片额定风况下的静力学和稳定性分析,不仅能获取叶片的应力和应变分布,而且可检验叶片设计的安全性和合理性.通过叶片动力学分析,计算叶片的振动频率,判断能否避免共振,实现正常运行.     

动态气动载荷和构件振动对风力机气弹特性的影响分析

通过建立气弹耦合分析模型,研究叶片、塔架等构件的耦合振动对叶根气弹载荷的影响以及在静、动态气动模型下的叶根和塔底气弹载荷的差异。采用"超级单元"模型,将叶片、塔架和主轴离散为通过转动铰和弹簧、阻尼器连接的刚体系统,以反映这类构件较大的弹性变形和非线性振动。在叶素动量理论(Blade element momentum,BEM)基础上,引入Beddoes-Lesihman动态失速模型,以反映气动载荷的动态特性。应用计算多体动力学理论和风力机气动模型,建立受约束的风力机系统气弹耦合方程。算例以某5 MW风力机为研究对象,通过施加不同的约束条件,研究风轮以外其他构件振动对叶根气弹载荷的影响;通过静、动态气动分析模型,考察叶根和塔底气弹载荷的动态耦合效应。分析表明,塔架、主轴等构件的运动会显著影响叶根的气弹载荷;叶片的动态失速特性也对叶根的气弹载荷和疲劳载荷谱有较明显的影响。研究工作对于保证风力机安全稳定运行和疲劳寿命设计有重要的作用。     

基于气弹耦合特征的风力机叶片优化设计

为提高风力机叶片气动结构性能,基于风力机风轮空气动力学及叶片结构动力学原理,选取叶片所处位置及扭转变形为自由度,在研究叶片摆振、摆振方向各阶振动模态的基础上,提出风力机叶片气动弹性耦合振动变形计算模型。基于风力机整机部件构成及输出功率特征,提出风力机叶片优化设计模型,对某5 MW风力机叶片的进行形状优化设计,通过对比分析优化叶片和原始叶片的输出功率及气弹载荷特性,验证优化叶片气动及结构性能的优越性。     

长度分形的风力机叶片在线检测与故障诊断

应用有限元分析方法,建立300w小型风力发电机组的动力学模型,通过模态分析及动力学仿真,提取风力机叶片的固有频率、振型及动力响应.应用非线性动力系统长度分形维理论,计算叶片正常运行和故障运行的动态特性数据及其长度分形维数,并作为叶片在线检测与故障识别的特征量.     

Optimization of 5-MW wind turbine blade using fluid structure interaction analysis

The blade of a wind turbine is a critical component that can be damaged by extreme loads; thus, its structural safety is paramount. Further, because its manufacturing cost comprise a high proportion of overall wind power production cost, its weight should be optimized to save on production and material cost. Much research has been conducted on structural optimization of wind turbine blades; however, focus has only been on exterior design. In this study, we optimize the cross-sectional dimensions of a 5-MW wind turbine blade by performing 3-D fluid analysis of the blade and using the pressure distribution obtained as input loads to find the inner structural shape of its cross section. Subsequent 2-D and 3-D fluid structural analyses conducted to find the maximum stress on the overall blade and its cross sections confirm that the cross section of the blade is minimized and that it is structurally safe.