小型水平轴变偏心距风力机功率调节方法研究

针对分布式和微电网系统要求小型风力发电机组的发电负荷可调的需要,提出一种小型水平轴风力机可变偏心距主动侧偏式功率调节方法,介绍机构的组成,分析改变偏心距使风轮侧偏产生机理,给出偏心距与风轮侧偏角度的表达式。通过改造1.5 kW上风向水平轴风力机,在风洞中进行稳态风的变偏心距风力机功率输出特性实验,结果表明该机构可满足水平轴风力机功率调节的主要要求,为进一步将该机构用于商用小型风力机功率调节奠定了理论和实验基础。     

可变偏心距风力机模态特性分析

在水平轴风力机的结构基础上,文章提出了一种具有风轮侧偏功率调节功能的可变偏心距风力机.通过对整机进行模态分析及风洞测试,验证了该风力机在不同来流风速下运行的稳定性.模态分析结果显示:可变偏心距风力机前6阶固有频率均处于共振带之外;摆振为可变偏心距风力机整机的主要振动形式;来流风速对风力机的振动频率影响较小,在不同偏心距...     

水平轴风力机塔筒近尾迹流场PIV实验研究

应用PIV粒子图像测速技术,在风洞中测量水平轴风力机模型塔筒的近尾迹流场。通过对模型风力机在不同运行尖速比下、不同叶高平面内的塔筒近尾迹速度场和涡量场的分析,得到了塔筒近尾迹流场的结构特征,为水平轴风力机气动设计、性能预测及CFD数值模拟提供了依据。实验结果表明,受到风轮旋转效应的影响,在水平轴风力机塔筒下游轴向距离6倍当地弦长范围内,近尾迹在水平面内向一侧明显偏转,近尾迹流场相对塔筒中心轴面呈非对称分布。随着尖速比的减小,塔筒下游轴向距离6倍当地弦长范围内,近尾迹涡流宽度逐渐增大,且尾迹向一侧偏转的程度也越大。风力机叶片对塔筒近尾迹涡流的影响,在叶根部位高度平面内尤为显著,随着叶片高度的增加,叶片对塔筒近尾迹涡流的影响逐渐减弱。     

新型变桨风力机关键部件载荷特性试验研究

以新型变桨距风力机为研究对象,针对其独特的变桨调节机构,通过风洞试验的方法,采用IMC载荷测试系统,对其关键部件进行载荷测试。试验结果显示：随着桨距角增大,叶根所受弯矩降低,但叶根挥舞弯矩较摆振弯矩减小更明显;塔筒俯仰方向的受力大于侧弯方向,当风轮转速约为243.5 r/min时,塔筒侧弯受力出现突增;不同桨距角下,变桨调节机构的齿条与齿条同步盘测点载荷大小随风速变化趋势一致,但随着桨距角的增加,表现为先增加后减小再增加的趋势。     

基于实测风场的沿海风力机叶片流固耦合特性分析

采用无人机测风手段实测获得某沿海风电场的风场特征，将所测量的风场参数应用到后续数值模拟中。以某2 MW风力机叶片全尺寸模型为研究对象，基于Workbench平台建立流固耦合系统进行计算，通过对比近尾流风速分布的数值模拟结果与实测结果来验证数值计算的准确性，进而计算额定风速下旋转叶片的挥舞变形和等效应力等响应。结果表明：风力机叶片的挥舞变形在0°方位角时最大，最大变形为1916.4 mm，接近静力加载试验最大挥舞工况结果 2299 mm；相同方位角下的挥舞变形沿着叶片展向呈非线性增大，0.60倍风轮半径处变形增长速度明显提高。叶片等效应力集中区位于大梁和前缘侧交界处，最大值出现在60°方位角下0.78倍风轮半径处，同时在风轮高度方向上呈非对称分布。     

5MW风力机塔影效应双向流固耦合分析

为了分析塔影效应对兆瓦级风力机的影响,以NREL 5 MW大型风力机为研究对象进行了风力机双向流固耦合的数值模拟。结果表明:塔筒会导致风力机叶片气动载荷的波动程度增加,叶轮受到的周向转矩与轴向推力的波动幅度是无塔筒时的3倍以上,这导致在风力机运行过程中叶轮和叶片产生的形变和应力波动加剧,且数值在总体上也有所增大,说明有塔筒时叶轮的运行状态更不稳定,塔影效应对风力机的稳定性有不利影响。     

风轮尺寸与旋向对双风轮风力机功率特性的影响分析

为掌握双风轮风力机风轮尺寸与旋向对其功率特性的影响规律,文章建立了双风轮风力机气动特性分析模型,并与美国国家能源部可再生能源实验室的实验结果进行了对比,计算分析了双风轮尺寸和旋向对风力机功率特性的影响规律。结果表明:当风速为10 m/s时,设计的双风轮风力机比单风轮双叶片风力机输出功率提升了84.9%;随着风轮半径增大,双风轮风力机输出总功率逐渐增加;当前、后两风轮反向旋转时,双风轮风力机前风轮大后风轮小的布局可获得更高的输出功率,且增幅随着后风轮半径增大先减小后增大,最大增幅为5.3%;除前、后两风轮半径相同的情形之外,双风轮风力机前、后两风轮同向旋转时输出总功率更大。     

考虑叶片旋转与土构耦合作用的海上风电机组塔筒动态特性研究

基于有限元软件Ansys对NREL 5 MW单桩式海上风电机组塔筒系统进行三维实体建模,分析了叶片旋转状态和桩基土构耦合作用对塔筒振动特性的影响。结果表明：考虑叶片旋转产生的离心力和离心刚度时,土构耦合作用会显著降低塔筒前两阶模态频率,其相对变化量分别为-31.68%和-31.74%,同时会增大塔筒瞬态位移响应,塔筒顶部在前后方向和侧向上的最大位移比底部固定约束时分别增大86.94%和46.59%;在叶片旋转与土构耦合共同作用下,塔筒等效应力显著增大,最大等效应力增大了57.38%,塔筒的一阶及二阶模态频率会在转速9.5 r/min附近与叶片1P转频产生共振点,而在额定转速以内不会与叶片3P转频产生共振。     

叶片数目对风轮位移和应力的影响

以NREL 5 MW风力机单叶片风轮为基础,利用UG建模软件分别建立两叶片、三叶片和四叶片风轮模型,并基于ANSYS Workbench软件对额定工况下的风轮模型进行流固耦合计算,结果表明:两叶片、三叶片和四叶片风轮的最大位移均发生在各风轮的叶尖位置,其中,四叶片风轮的位移最大,稳定性最差;两叶片风轮所承受应力不及三叶片与四叶片风轮的一半,侧面反映了两叶片风轮风能捕集能力不足。综上所述,相比于两叶片与四叶片风轮,三叶片风轮更具有优势,揭示了三叶片风轮的风力机成为市场主流风力机的主要原因。     

偏航流动对水平轴风力机声辐射影响研究

风力机处于复杂多变的自然风条件下,经常处于偏航状态。文章运用分离涡方法(DES)寻找偏航流动对水平轴风力机声辐射的影响。结果表明:随偏航角度的增加,风轮输出功率减小;垂直风轮旋转面和平行来流方向的测试线上,总声压级都随着远离风轮旋转面逐渐衰减,且随着偏航角的增大,平行来流方向测试线上的声压级降低较快;在不偏航流动下平行于风轮旋转面的声压级,沿旋转方向基本相同,在偏航流动下,随偏航角度的增大而降低;平行于入口面上距离声源面近的一侧声压级较大,且随偏航角的增加逐渐升高;叶尖处声压级最大,中心轴上最小。DES方法用于风力机声辐射的模拟研究是可行的,对风力机气动噪声研究具有一定的参考价值。     

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。     

风切变和塔影效应对风力机变桨距控制的影响分析

随着单台风力机功率的不断增大,变桨距控制对于风力机起动、制动性能的改善和对输出功率的稳定作用不断显现。单台风力机功率的不断增大也导致了塔架的增高和风轮直径的增大,风切变和塔影效应对风轮旋转平面风速分布产生的差异也不断变大。为了验证风速差异对变桨距控制的影响,建立了考虑风切变、塔影效应的风速模型以及基于叶素理论的风力机模型。采用1.5 MW风力机的数据进行研究,仿真验证表明,在集中变桨时,即使参考风速稳定,风速分布的差异也会使实际的风轮输出转矩产生脉动,桨距角产生周期性脉动,从而导致输出功率产生脉动,影响电能质量,同时叶片上产生不平衡的弯矩,增加了叶片的疲劳载荷,缩短了叶片的寿命。大型风力机应采用独立变桨技术来解决这些问题。     

考虑风速风向联合概率分布的风电塔筒结构风致疲劳寿命评估

针对风向对风力机塔筒疲劳产生影响的问题,基于实测数据对考虑风速风向联合概率分布的风电塔筒结构的风致疲劳寿命展开研究。首先结合甘肃安西地区37 a的实测风速风向数据,给出风速风向联合概率分布。然后利用主S-N曲线法分别对不同风向和不同风速下风力机塔架结构法兰及门洞区域的响应规律进行分析。最后考虑风速风向联合概率分布,对风电塔筒结构风致疲劳寿命展开研究。结果表明：门洞朝向与风轮朝向的夹角变化和风速的改变均对风电塔筒的风致疲劳寿命有一定影响,其中门洞朝向与风轮朝向夹角为225°时疲劳寿命最长,风速为10~14 m/s时疲劳寿命变化幅度最大;考虑风速风向联合概率分布能更准确地计算风力机结构的风致疲劳寿命,且以此为依据对门洞朝向进行调整可延长其疲劳寿命,因此建议对风电塔架进行设计时,应考虑风电场所在地区的风速风向联合概率分布。     

主余震序列作用下近海风力机动力特性研究

为研究主余震序列作用下近海单桩式风力机动力响应特性,以DTU 10 MW风力机为研究对象,构建地震-湍流风-波浪多物理场计算模型,并通过重复法及衰减法构造主余震序列,研究主余震序列对风力机动力特性的影响。结果表明：当地震正向冲击时,环境载荷主要影响塔顶前后向振动,地震载荷为塔顶侧向振动的决定载荷,可在一定程度上缓解环境载荷所造成的塔顶振动。主余震序列作用时相较仅主震或余震序列作用,风力机塔顶振动明显增强,塔架最大等效应力变大,应变能集聚现象更为明显。余震较强时,风力机余震阶段塔顶振动、最大等效应力及应变能集聚现象强于主震阶段。     

Wind tunnel investigation on the effect of the turbine tower on wind turbines wake symmetry

In wind farms, the wake of the upstream turbines becomes the inflow for the downstream machines. Ideally, the turbine wake is a stable vortex system. In reality, because of factors like background turbulence, mean flow shear, and tower‐wake interaction, the wake velocity deficit is not symmetric and is displaced away from its mean position. The irregular velocity profile leads to a decreased efficiency and increased blade stress levels for the downstream turbines. The object of this work is the experimental investigation of the effect of the wind turbine tower on the symmetry and displacement of the wake velocity deficit induced by one and two in‐line model wind turbines (,D= 0.9 m). The results of the experiments, performed in the closed‐loop wind tunnel of the Norwegian University of Science and Technology in Trondheim (Norway), showed that the wake of the single turbine expanded more in the horizontal direction (side‐wall normal) than in the vertical (floor normal) direction and that the center of the wake vortex had a tendency to move toward the wind tunnel floor as it was advected downstream from the rotor. The wake of the turbine tandem showed a similar behavior, with a larger degree of non‐symmetry. The analysis of the cross‐stream velocity profiles revealed that the non‐symmetries were caused by a different cross‐stream momentum transport in the top‐tip and bottom‐tip region, induced by the turbine tower wake. In fact, when a second additional turbine tower, mirroring the original one, was installed above the turbine nacelle, the wake recovered its symmetric structure. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

大型风力机叶片模态测试与分析

利用建成的大型风力机叶片的振动特性分析装置,用测力法和不测力法对风力机叶片进行模态试验及分析,测试了风力机叶片的模态参数（固有频率、阻尼和振型）,得到了叶片的振动特性。采用共振法将偏心电机和变频器连成一体作为激励源测试了叶片的固有频率,实验验证了单叶片的危险运行频率。对大型风力机叶片模态试验及分析提供了可靠的实验装置和试验方法,对风力机叶片动力学特性分析提供有力工具。     

大型风机叶片疲劳加载模式的能耗分析

设计了两套风机叶片疲劳加载试验方案:液压缸强迫加载模式和偏心质量块共振加载模式,并给出了两种模式下的能量耗散方程。采用多级载荷加载试验获得沿叶片展向的挠度分布情况和加载点刚度值,通过叶片的自由衰减试验获得阻尼比值。最后对aeroblade1.5-40.3风机叶片进行1个振动周期的能耗计算,得出在相同振幅下,共振加载模式的能耗小于强迫加载模式能耗的1/3。研究结果为后续的风机叶片疲劳加载试验打下基础。     

气动力和离心力对风力机叶片应力影响研究

针对自行研制的NACA4415翼型水平轴风力机,通过流固耦合的数值模拟计算方法,考虑气动力和离心力以及两者耦合作用,选取叶片最大弦长、中部弦长、气动中心线展向以及最大应力点位置,分析风力机叶片在不同工况下的应力特性分布规律。结果表明:在气动力作用下,叶片相同弦长位置处迎风面应力小于背风面应力,且随尖速比和入流风速增大而增大,最大应力点位置随着尖速比增大沿翼展向外且靠近叶片前缘方向延伸;在离心力作用下,叶片相同弦长位置处迎风面应力大于背风面应力,且随尖速比增大而增大,而最大应力点均在叶根最大弦长位置(9.93 mm,10.80 mm,-126.33 mm);在耦合作用下,叶片相同弦长位置处迎风面应力大于背风面应力,随尖速比和入流风速增大而增大,且依次大于气动力和离心力产生的应力,而最大应力点均在叶根最大弦长位置。仿真结果对于风力机翼型的选择及优化设计具有重要的理论意义及参考价值。     

Predicting wind turbine blade loads and aeroelastic response using a coupled CFD–CSD method

The aeroelastic response and the airloads of horizontal-axis wind turbine rotor blades were numerically investigated using a coupled CFD–CSD method. The blade aerodynamic loads were obtained from a Navier–Stokes CFD flow solver based on unstructured meshes. The blade elastic deformation was calculated using a FEM-based CSD solver which employs a nonlinear coupled flap-lag-torsion beam theory. The coupling of the CFD and CSD solvers was accomplished in a loosely coupled manner by exchanging the information between the two solvers at infrequent intervals. At first, the present coupled CFD–CSD method was applied to the NREL 5MW reference wind turbine rotor under steady axial flow conditions, and the mean rotor loads and the static blade deformation were compared with other predicted results. Then, the unsteady blade aerodynamic loads and the dynamic blade response due to rotor shaft tilt and tower interference were investigated, along with the influence of the gravitational force. It was found that due to the aeroelastic blade deformation, the blade aerodynamic loads are significantly reduced, and the unsteady dynamic load behaviors are also changed, particularly by the torsional deformation. From the observation of the tower interference, it was also found that the aerodynamic loads are abruptly reduced as the blades pass by the tower, resulting in oscillatory blade deformation and vibratory loads, particularly in the flapwise direction.