风力机轴承实时剩余寿命预测新方法

由于传统退化指标对周期性故障冲击缺乏敏感性和鲁棒性,无法实现风力机轴承退化过程的适时跟踪以及剩余寿命的准确预测,提出了基于包络谐噪比(envelope harmonic-to-noise ratio,简称EHNR)和无迹粒子滤波(unscented particle filter,简称UPF)相结合的风力机轴承实时剩余寿命预测方法。首先,通过计算振动信号的EHNR监测轴承的早期退化点,并提取EHNR的趋势特征作为退化指标;其次,以轴承历史数据构建退化模型,利用UPF算法更新模型参数,实现对轴承退化状态的跟踪和预测;最后,使用实际风力机轴承监测数据对所提方法进行验证。结果表明,该方法能适时启动寿命预测机制,有效解决传统粒子滤波算法的粒子退化问题。与常用的支持向量回归模型(support vector regression,简称SVR)、反向传播神经网络(back propagation neural network,简称BPNN)的预测方法相比,具有较高的预测精度,为大型风力机组的健康管理和可靠性评估提供参考依据。     

气动弹片对垂直轴风力机性能影响研究

片对垂直轴风力机气动性能的影响并分析了其流动机理。结果表明：气动弹片在高尖速比下可显著抑制流动分离并改善其动态失速特性，功率系数得到极大提升；切向力和转矩系数在气动弹片作用相位角范围内，均有一定提高，而在其它相位角内，风力机性能不受影响。     

考虑流固耦合的Spar型浮式风力机涡激运动特性研究

对弹性支撑单圆柱在均匀流作用下的涡激运动特性进行数值模拟,捕捉到"锁定区"、"拍"、"频率变换"等现象。柱体周围流场采用Fluent求解,将4阶Runge-Kutta方法代码写入用户自定义函数(UDF)求解运动微分方程,运用动网格技术更新流场,实现圆柱与流场的非线性耦合作用。发现随着折合速度的增大,涡激运动响应可分为锁定前支、锁定区、锁定后支3个阶段,在进入锁定区前(折合速度Ur=3)横向运动响应发生拍现象,当跨过锁定区后(折合速度Ur=10)发生频率变换现象。结果表明,横向涡激运动有较大范围的频率锁定现象,频率解锁前后圆柱涡激运动轨迹由"右8字"形变换为"左8字"形。     

垂直轴风力机两种翼型气动性能比较研究

叶片是风力机最重要的组成部分,在不同的风能资源情况下,翼型的选择对垂直轴风力机气动特性有着重要的影响。文章分别以NACA0018翼型(对称翼型)和NACA4418翼型(非对称翼型)建立3叶片H型垂直轴风力机二维仿真模型。应用数值模拟的研究方法,从功率系数、单个叶片切向力系数等方面比较两种风力机模型在不同叶尖速比下的气动特性,并采用风洞实验数据验证了流场计算的准确性。CFD计算结果表明:在低叶尖速比下,NACA4418翼型风力机气动特性优于NACA0018翼型风力机,适用于低风速区域;在高叶尖速比下,NACA0018翼型风力机气动特性较好,适用于高风速地区。而且在高叶尖速比时,NACA0018翼型在上风区时,切向力系数平均值要高于NACA4418翼型,在下风区时,NACA418翼型切向力系数平均值高。该研究可为小型垂直轴风力机翼型的选择提供参考。     

波浪荷载作用下海上新型潜式浮式风力机运动特性研究

以适用于中等水深(50~200 m)的新型潜式浮式风力机为研究对象,该风力机基础综合Spar式、半潜式及张力腿(TLP)3类浮式风力机基础的优点,运行时基础主体淹没在水下,具有较小的水线面(如同Spar平台),受波浪影响较小;平台通过张紧式系泊线与海床相连(如同TLP平台),具有良好的垂荡和摇摆运动特性;拖航状态下,浮式平台处于半潜状态,水线面面积大(如同半潜式平台),具有良好的浮稳性。通过分析不同波况下的潜式浮式风力机耦合动力响应得到潜式浮式基础的横荡、纵荡、垂荡及纵摇运动响应,以及发电功率、叶片根部弯矩、塔筒顶部和底部弯矩、锚链张力时程曲线。研究结果表明:波浪对于结构的纵摇运动的影响最为明显,对发电功率、叶片根部弯矩和塔筒顶部弯矩影响较小,对塔筒底部弯矩和系泊线张力影响较大。     

内含实体对H型垂直轴风力机气动性能的影响

以H型垂直轴风力机及其内含圆柱形实体为研究对象,对NACA0018翼型的五叶片H型垂直轴风力机的气动性能进行数值模拟和实验验证。分析8种不同直径的内含圆柱体,在内含实体截面积占风轮迎风面积之比分别为21.2%、50.0%和76.9%时,风力机风能利用率的峰值分别下降8.04%、20.7%及74.3%。结果表明：随着内含实体直径的增大,风能利用率的峰值逐渐减小,开始较为缓慢,达到一定值时快速下降。小直径内含实体主要影响叶片在下风区的转矩,对风能利用率的影响较小,而大直径内含实体还会影响叶片在上风区的转矩,其风能利用率迅速减小。对于内含固定直径的实体,比如在现有建筑物外侧安装风力机时,其风轮半径的选择需综合考虑风能利用率和风力机的建造成本两方面的因素。研究结果可为建筑物与垂直轴风力机进行有效结合以提高风能的利用提供参考。     

预弯对10MW级风力机叶片气动特性的影响

为分析预弯处理对10 MW级风力机叶片气动特性的影响,以DTU 10 MW风力机为例,采用CFD数值模拟方法,研究均匀来流不同风速下风力机的输出功率,并与BEM计算结果进行对比。同时,对比分析直叶片和预弯叶片风力机的功率特性、沿展向出力分布、沿展向不同截面翼型的流动特性。研究结果表明,直叶片各截面翼型的压力差较预弯叶片的大,做功能力较强。预弯通过对叶片的三维流动产生扰动,进而影响风力机的输出功率,且主要体现在叶片展向70%~90%的位置。研究成果可为风力机叶片气动性能的设计与优化提供参考。     

基于ABAQUS地震激励下风力机结构损伤分析

高耸的风力机塔架结构属于典型的顶部附有大集中质量的细长柔性体的力学结构，相比传统建筑结构差异性较大，极易受到地震载荷影响。基于有限元分析软件ABAQUS建立风力机塔架、基础平台和土体模型，通过FAST导出风轮非定常推力，作用在塔顶机舱，土体底部施加地震加速度时间序列，进行风力机结构模态分析、稳定性分析和动力学响应分析。研究表明：塔架主要的运动形式为摇摆运动和弯曲振动；塔架一阶固有频率为0.290 Hz，大于风轮的额定旋转频率0.202 Hz，因此叶片旋转不会引起风力机塔架发生共振；风载荷作用下，塔架发生横向屈曲，屈曲位置位于塔架底部且随模态阶数增大而逐渐向上发展，屈曲因子较大；地震载荷作用下，塔架发生纵向屈曲，屈曲位置同样位于塔架底部且随模态阶数增大而逐渐向上发展，较风载荷发生屈曲区域相对更大，屈曲因子相对较小。     

基于集员未知输入观测器的风力机桨距执行器故障诊断

风力机一般放置在恶劣的环境中,其桨距执行器极易出现故障。文中针对一类含有未知但有界干扰和噪声的风力机系统的桨距执行器故障问题,设计了集员未知输入观测器对桨距的执行器故障进行检测并分离。采用气动机理和现代辨识原理建立风力机系统模型,通过优化未知输入观测器设计对系统中的干扰解耦,基于中心对称多胞体估计不考虑故障时残差的区间包络,并将其作为残差估计的上下动态阈值,实现状态估计。在上述基础上提出了利用一组集员未知输入观测器进行故障诊断的策略。仿真结果表明,在实验过程中,文中所设计的集员未知输入观测器准确地诊断出了风力机桨距执行器的3阶和5阶线性系统在发生突变故障和缓慢时变故障的时间和位置,证明了所提故障诊断策略的有效性。