风电齿轮箱浮动构件支撑刚度的分析与优化设计

以9 MW海上风电机组两级行星一级平行轴齿轮箱为研究对象,采用集中参数法建立其多体动力学模型,研究各级浮动太阳轮和内齿圈的支撑刚度对两级行星轮系均载特性和浮动构件振动特性的影响,基于正交试验法得到支撑刚度对传动轴振动的影响规律并对其进行优化设计。研究结果表明：综合考虑浮动构件的影响,在两级均载系数对支撑刚度敏感的区间内,浮动构件支撑刚度显著影响齿轮箱的振动特性;与仅考虑齿轮箱均载特性相比,优化后齿轮箱整体振动指标降低8.9%。     

大型海上风力机地震冲击角动力学响应分析

为研究海上风力机在不同地震冲击角下的动力学响应,基于p-y曲线法构建土-构耦合模型,基于DTU 10 MW 单桩式近海风力机建立有限元模型,研究地震冲击角变化对大型海上风力机地震动力学响应的影响。结果表明：0°和90°地震冲击角下风力机结构受载荷响应最剧烈;当地震冲击角为锐角时,塔顶前后向和侧向位移幅值均下降,总应变能集聚现象显著缓解;地震冲击角为15°和30°时风力机等效应力均值相对其他角度有明显下降。因此,主动调整风力机叶轮朝向以调整地震冲击角可能成为风力机受地震冲击后降低损害的有效控制方式。     

风电增速箱行星传动系统动力学方程及均载特性

提出一种风电增速箱用新型载荷分流式两级行星齿轮传动机构,以便提高传动系统的承载能力。以新型风电增速箱载荷分流型两级行星轮系与一级平行轴齿轮构成的多级传动系统为研究对象,计入多级耦合传动系统的轮齿啮合误差、啮合阻尼、啮合刚度,级间扭耦合刚度,组件的转动惯量等影响因素,采用集中参数法建立多级耦合传动系统的动力学模型。利用相关参数对系统的均载特性进行研究,获得行星齿轮传动的均载系数曲线。分析表明:各级内外啮合的均载系数均随时间变化且存在相位差;第一级内外啮合的均载系数分别比第二级内外啮合的均载系数分配均匀;第一级均载系数较小且内外啮合的均载系数的差别较小。     

齿面粗糙度对风电齿轮箱行星轮系动力学特性影响

为研究齿面粗糙度对行星轮系动力学特性的影响,提出行星轮系齿轮副动态承载接触分析与系统振动位移耦合方法。以某型兆瓦级风电齿轮箱行星轮系为研究对象,基于分形理论对轮齿粗糙表面进行分形表征,通过齿轮副啮合变形协调条件,构建齿面动态承载接触状态与构件振动位移、粗糙齿面啮合误差以及摩擦力的关联关系,建立风电齿轮箱行星轮系动力学模型,分析粗糙齿面啮合误差与摩擦力对系统动态特性的影响。结果表明：随着粗糙度的增大,齿面载荷峰值与波动幅值增大,动态啮合刚度幅值出现明显波动,均载性能降低;增大粗糙度会降低行星轮系临界转速,在低转速区域内,其具有激励增振作用,而在临界转速区域附近,其具有阻尼减振作用;摩擦力主要影响行星轮系各构件振动位移,可改变动态啮合力在少齿啮合区的幅值。     

计入齿形误差的风电机组行星齿轮传动系统动态特性研究

以风电机组行星齿轮传动系统为研究对象,考虑齿形误差因素,建立行星齿轮传动系统平移-扭转动力学分析模型,研究分析各阶次误差对系统动态特性的影响.通过对模型求解,得到不同形式误差下系统动载荷的时域历程和频谱,分析不同形式误差对系统动载荷、太阳轮浮动轨迹以及系统均载性能的影响.研究得出在太阳轮计入齿形误差后,系统动载荷波动以...     

基于斜面辐射组合计算模型的光伏阵列最佳倾角研究

基于2019年3月—2020年2月白银和敦煌光伏电站的实际观测数据,建立4种斜面辐射组合计算模型,在对模型预测精度检验的基础上,分析了电站当地不同倾角倾斜面辐射量的变化特征以及不同时段发电量与倾角大小之间的关系,同时提出3种最佳倾角选取方案并对输出的年总发电量进行对比,结果表明：1）4种组合模型预测效果均较为理想,白银电站4种组合模型各月平均RRMSE均低于8%,敦煌均低于9%。2）斜面总辐射与直接辐射9月之前随倾角增大呈现出递减趋势,大致表现为0°≈15°>30°>45°>60°>90°;9月之后则相反,表现为60°>45°>30°>15°>0°。散射辐射9月之前随倾角增大而减小,之后各倾角散射辐射差距不大,反射辐射始终随倾角增大而增大。各倾角直接辐射占总辐射比例最大,散射辐射次之,反射辐射最小;3）4种模型计算的最佳倾角较为接近,白银和敦煌年最佳倾角约为35°和38°,月最佳倾角变化曲线呈余弦型,白银和敦煌变化范围分别为4°~64°和6°~66°,白银夏、冬半年的最佳倾角分别约为16°和56°,敦煌分别约为19°和58°;4）为得到最大年输出总电量,建议电站选取方案Ⅱ每月调整阵列倾角,年总发电量较方案Ⅰ白银和敦煌可提高约5.3%和5.0%,条件不具备时可按方案Ⅲ每年至少调整2次阵列倾角,年总发电量较方案Ⅰ可增加约4.6%和4.1%。     

风电齿轮箱行星轮系的齿面摩擦与齿根裂纹耦合效应计算方法

针对风电增速箱故障率偏高的问题,在对风电机组传动系统的振动响应机理进行分析的基础上,提出一种同时考虑齿根裂纹与齿面摩擦2种因素耦合情况下计算风电增速箱行星轮系动态响应的方法。首先分析考虑不同滑动摩擦因素时,含齿根裂纹缺陷的齿轮其啮合刚度的变化情况;随后运用集中参数法建立一种同时考虑平移和扭转2种力学效应相互影响作用的行星轮系动态响应计算模型。使用该模型在考虑齿根裂纹、齿面滑动摩擦2种因素耦合情况下,对行星轮系时变啮合刚度影响作用进行仿真计算。结果表明,齿面间的滑动摩擦力将导致行星齿轮扭转振动响应在低频区域受到抑制、中频区域得到增强,而齿根裂纹会导致系统出现调制效应且该效应会使行星齿轮的扭转振动频谱响应在行星轮与太阳轮间的啮合频率附近出现调制边频带现象。     

脉动风速和电网故障作用下双馈风电机组传动系统动态响应特性

为研究大容量双馈风电机组在脉动风速、齿轮时变啮合特性和电网扰动等多因素耦合作用下传动系统的动态响应特性,在Matlab/Simulink平台上,采用集中质量法建立了机组传动系统弯扭耦合动力学模型,并结合双馈风电机组运行及控制模型,形成机组传动系统的机电耦合模型,分析了机组在多种脉动风速及其与电网对地短路故障同时作用条件下传动系统的动态响应特性。计算结果表明：机组传动系统对低频振动频率具有欠阻尼特性,当脉动风速的脉动频率接近传动系统的一阶固有频率时会与传动系统产生共振;通过对比有无齿轮时变啮合激励,可以甄别传动系统与齿轮啮合激励的共振点;电网三相对地短路故障引起的传动系统振动最为剧烈,其最大振动峰峰值随风速的增加非线性增大,随风速湍流强度的增加线性增大。     

基于Theodorsen理论的新型动态失速预测模型及其应用

风力机叶片动态失速时的非定常气动特性及严重的迟滞现象使得风力机功率实测值严重偏离其静态预测值。鉴于此,基于Theodorsen理论、基尔霍夫势流理论,在忽略低阶附加质量引起的下洗气流加速度项及状态变量转换后,提出一种包括翼型附着流和后缘动态分离流的新型动态失速模型。利用该模型分析NREL 5 MW海上风力机叶片6种翼型的非定常动态失速特性得出：通过翼型的气流在完全附着流与完全分离流之间不断转换,受附着流脱落尾诱导的动态下洗气流影响及边界层动态分离产生的压力滞后的双重作用,动态升力系数变化曲线和静态升力现象曲线偏差较大,6种翼型动态升力系数变化曲线均呈非常明显的迟滞环现象。DU40、DU35、DU30、DU25、DU21和NACA64这6种翼型动态升力系数增幅明显,分别达17.6%、60.9%、60.7%、55.1%、63.7%和40.8%。动态失速攻角极大地超过静态失速攻角,分别增大到36.53°、21.40°、20.20°、17.68°、16.97°和21.42°。6种翼型动态失速预测结果与公开实验数据结论一致,证实所提出的动态失速气动模型计算结果准确可信,具有较强通用性。     

塔架对风轮旋转过程中声场及流场的影响探究

基于压力脉动与声压之间的关系,利用Fluent数值模拟平台对风力机旋转过程中整机和单转子的声场和流场进行分析。对比2种模型的最大声压级位置,发现由于塔架的介入,整个模型的声场落后于流场约30°。分析塔旁y轴负向测点处压力脉动与声压级第1个峰值对应的方位角,结果发现在y/R=0.14、y/R=0.42、y/R=0.71与y/R=1时声压级（SPL）分别落后于压力脉动22°、5°、9°与18°。分析风力机旋转过程中两种模型塔附近监测点的声压级与压力脉动的变化趋势,结果表明：声压级振幅沿展向先增大后减小,在y/R=0.71处达到最大值;同样,在y/R=0.71时压力波动幅度最大。     

基于叶片变形偏航下风力机叶片绕流流场的研究

针对偏航工况下风力机叶片与流场之间的相互作用而产生的变形影响叶片绕流流场问题,基于叶片变形对不同偏航工况下水平轴风力机叶片绕流流场进行双向流固耦合数值计算,分析偏航工况对风力机叶片变形和表面应力的影响,在此基础上研究不同偏航工况对叶片绕流流场的影响.结果表明,不同叶片上的变形和应力呈现不均匀性,且随偏航角增大,不均匀性...     

前曲扭角增加式叶尖气动特性研究

以某150 kW水平轴的风电机组叶片为研究对象,提出一种朝来流风方向圆弧式前曲、扭角增加的降载叶尖外形;建立以扭角增量A、弯曲角度B为变量的16组叶尖几何模型,为探究该降载设计叶片最佳适用风况,建立考虑扭角增量、弯曲角度及风速的三因素四水平正交试验表,借助ICEM完成多组仿真模型的网格划分,利用Fluent单一旋转坐标...     

非对称锯齿结构对叶片气动声学性能的影响

为降低水平轴风力机叶片的气动噪声,受鸮类静音飞行能力的启发,提取鸮类翅膀羽毛的非对称锯齿结构,并重构于风力机叶片尾缘处。采用大涡模拟（LES）和FW-H方程对改型叶片和原型叶片的流场及声场特性分别进行研究。同时通过改变非对称锯齿尾缘的结构参数,以探究不同锯齿夹角、锯齿宽度和锯齿间距对非对称锯齿尾缘的降噪效果的影响。结果显示：非对称锯齿尾缘具有较好的降噪效果,尤其是在低频和中频区域,总声压级最多可降低10 dB。当锯齿夹角分别为30°、40°和50°时,随着锯齿夹角的增加,噪声声压级在多数方位角下呈增加的趋势;锯齿宽度分别为10、12.5和15 mm时,随着锯齿宽度的增加,噪声声压级在多数方位角下明显降低;锯齿间距的改变,对0°方位角下的噪声声压级影响显著。而从涡分布图中可发现,非对称锯齿尾缘未改变叶片表面涡脱落的位置,但会减小涡结构和涡强度,增大涡间距,从而抑制噪声的产生。     

风力机叶片涂层风沙冲蚀磨损特性的风洞试验研究

传统的挟沙冲蚀试验台与风沙风洞难以构建均匀风沙流场,难以准确反映风力机叶片的风沙磨损特性。因此,在改造的风沙风洞中,通过对风力机叶片平板试样开展涂层冲蚀磨损试验,探究不同冲击速度、冲击角度及有效截面质量流率对风力机叶片涂层材料冲蚀特性的影响规律。试验结果表明：有效颗粒质量流率一定时,在相同冲击速度与冲击时间内,磨损量在冲击角度约为30°时达到最大。小于30°时,磨损量随冲击角度的增大而快速增加,大于30°时磨损量随冲击角度的增大而逐渐降低;磨损量随冲击速度的增大而增大;磨损量随有效颗粒质量流率的增大而呈线性增大趋势;切削磨损量与总磨损量有相同趋势,冲击磨损量随着冲击角度的增大而逐渐增大。     

计及恶劣天气约束的海上风能波浪能资源分布研究

基于ERA5和全球海洋波浪再分析资料,统计分析2005—2019年间110°E~130°E、15°N~35°N海域的恶劣天气事件时空分布特征,在剔除恶劣天气时段下,对风能密度、波浪能密度、风能变异系数和波浪能变异系数进行分析。结果表明：2005—2019年间恶劣天气事件整体呈递增趋势,季节性差异大;总体上深远海海域恶劣天气出现时段比近海多,南海北部恶劣天气事件出现时段最多;在剔除恶劣天气时段后,东海深远海存在风能丰富且波浪能较密集的海域,台湾海峡以南近海风能丰富且稳定,但波浪能不密集且不稳定,南海北部近海海域波浪能比深远海更密集且更稳定,这与不剔除恶劣天气时段情况下波浪能分布特征存在较大差异。     

倾角与方位角对张北地区光伏发电特性的影响

为使光伏组件获取更多的太阳辐照,需设置合适的倾角和方位角。通过2018年8月份在张北地区记录的辐照数据,计算得到张北地区光伏组件的最佳倾角。设置倾角为0°、30°、60°、90°、120°和150°的光伏组件,记录光伏组件的电压电流数据,分析不同天气下倾角和方位角对发电特性的影响。研究发现,光伏组件在该月的月最佳倾角为18.5°,晴天的日最佳倾角为27.1°,多云、阴天、雨天分别为18.0°、3.7°、0.2°。倾角对于发电特性的影响主要在于光伏组件接收的直射辐照大小,晴天和多云时30°倾角光伏组件的发电量最高,雨天和阴天水平光伏组件的发电量则最高。方位角对于发电特性的影响来源于直射辐照在一天中照射方向的变化,晴天和多云时方位角影响较大,阴天和雨天时影响很小。     

台风-浪-流耦合作用下海上风力机基础结构水动力特性分析

为揭示台风-浪-流耦合作用下风力机基础结构的水动力特性,以广东外罗10 MW级海上风力机为研究对象,基于模式耦合器（MCT）建立中尺度台风-浪-流（W-S-F）实时耦合模拟平台,分析超强台风“威马逊”过境全过程海上风电场台风-浪-流的时空演变特性;再结合中/小尺度嵌套方法分析风力机单桩基础水动力荷载分布特性;提出不同波浪相位下基础柱极值荷载模型。结果表明：建立的W-S-F平台对台风路径的模拟精度较单WRF模式提高42.51%;台风-浪-流耦合作用下基础柱水平波浪力正峰值增大约20%,负峰值减小约18%,并沿水深方向呈指数型变化规律,周向沿180°波向角呈对称分布;T4相位为风力机基础强度设计的最不利相位,基底剪力最大达7.68×10⁶量级,基底弯矩最大达5.2×10⁸量级。     

光伏支架螺旋桩斜向拉拔承载特性试验研究

针对光伏支架螺旋桩斜向荷载作用下承载特性认识不足,在砂土中开展大尺寸单锚片螺旋桩斜向拉拔载荷试验,研究荷载角度、埋深比对承载特性的影响规律,探究锚片表面的土压力强度分布变化规律,分析斜向拉拔承载控制机理。研究表明：1）荷载位移曲线一般表现为硬化型,荷载角度相同时,埋深比越大,拉拔极限荷载与相应位移均越大。埋深比相同时,荷载角度增加,曲线更显陡峭,极限荷载增大,极限位移则减小。2）分解后的荷载-水平位移曲线和荷载-竖向位移曲线特征差异显著,前者曲线完整、非线性发展充分。除竖向拉拔外,其他拉拔角度下竖向极限位移均远小于水平极限位移。3）斜向拉拔承载力T_U(a)与对应埋深比竖向拉拔承载力T_u(90°)之比与荷载角度之间具有很好的线性关系。4）锚片上的土压力强度均受两种锚土相互作用机制共同影响,最大土压力强度系数与埋深比和土体内摩擦角有关,可达被动土压力强度系数的近两倍。5）荷载角度[0°,65°],螺旋桩斜向拉拔承载性状由水平方向控制,在[65°,90°]则由竖直方向控制。斜向荷载竖向分量可提高螺旋桩水平方向的承载力,但在设计判别时可将其视为安全储备不予考虑。