300kW大型风力机叶片

1 成果内容简介 300kW大型风力机叶片是目前国内研制和运行成功的最大的水平轴定桨矩风力机叶片。 在“八五”期间成功地试制出水平轴定桨矩200kW风力机叶片后,1996年完成首套300kW风力机叶片的试制,于1997年8月在新疆风力发电厂的配合和支持下进行运行考核,至今已运行两年多,运行情况良好,用户比较满意(用户对这付叶片的评语是:该付叶片质量良好,达到国外同类型叶片的水平,可满足300kW风力机的使用要求)。1997年底又完成了两套300kW风     

水平轴风力机叶片最优体型设计

从降低风力机成本及提高风力机运行可靠性的角度,建立以最小的叶片质量获得最大的年发电量两个目标函数,以叶片体型参数及运行参数等关键参数为设计变量,以叶片的强度为主要约束条件的多目标优化设计数学模型,采用Pareto遗传算法对某1.5MW风力机叶片进行最优体型设计研究。与原设计叶片相比,最优体型设计方案提高了风力机的年发电量、减轻了叶片质量,说明优化设计模型合理有效。     

智能复合材料风力机叶片设计与有限元分析

随着风力发电机叶片的大型化,将智能材料粘贴在叶片表面或嵌入叶片内部形成新的结构,智能材料作为传感器和作动器。设计了小型风力发电机叶片及其智能夹层结构,用有限元分析软件Algor分析埋入的压电材料逆压电效应下的应力、位移,并与气动力作用下的叶片流体计算结果进行对比。分析实现叶片振动主动控制的可行性,以防止叶片这一弹性体发生颤振。     

基于共固化阻尼层结构的风力机叶片抑颤分析

针对大型风力机叶片颤振的现状,提出阻尼叶片的概念,并基于能量法推导出阻尼叶片的结构损耗因子。以某2 500 kW风力机为工程应用实例,基于ONERA非线性气动模型对普通叶片和阻尼叶片分别在启动风速、额定风速、安全风速和极限风速下进行数值仿真对比。结果显示,4种风速下阻尼叶片的结构损耗因子分别为0.617、0.579、0.523和0.439,阻尼叶片较普通叶片抑颤效果明显提高。研究结果可为大型风力机叶片抑颤设计提供参考。     

大型水平轴风力机新型叶片结构设计思想和研究进展

该文首先阐释了在风力机大型化发展过程中叶片结构设计的主要问题在于大型叶片对综合结构性能的高要求与轻量化、气动性能之间的矛盾,传统悬臂梁结构叶片的承载特性限制了叶片进一步大型化发展的空间,新型叶片结构的设计开发是解决这一问题的有效手段。新型叶片结构的设计思想按其着眼点主要包括仿生柔性设计思想、分段设计思想和局部附加结构的设计思想等。在此基础上,该文综述了近年来新型叶片结构的研究进展,为大型叶片结构设计提供了参考。     

基于复合材料铺层的兆瓦级风力机叶片结构性能分析

采用参数化建模,建立多种复合材料叶片三维有限元壳体模型,并对叶片进行模态分析。进一步采用流固耦合方法,实现叶片表面气动载荷加载,对额定工况下的叶片进行屈曲分析。以初步设计的5MW风力机叶片为例,研究结果表明:复合材料具有明显的各向异性;铺层纤维角度影响叶片整体固有频率,合理的铺层结构可使叶片低阶固有频率远离激振频率,防止叶片发生共振破坏;复合材料铺层叶片在额定工况下不会发生整体屈曲破坏,但因复合材料抗拉抗压性能不同,在压缩载荷作用下叶片背风面几何突变区出现局部屈曲,在叶片设计制造时应该充分加以考虑,以防止局部屈曲破坏。     

风力机复合材料柔性叶片的颤振分析

将风力机叶片简化为薄壁复合材料封闭截面弯扭耦合变形梁,基于Hamilton原理并结合变分渐进法（VAM）,建立风力机叶片的气动弹性力学模型。结构模型包括材料各向异性,截面翘曲,离心载荷,科里奥利加速度,以及预锥角和预扭转角的影响。气动载荷采用叶素动量理论和准定常气动力理论进行描述。将位移按广义坐标进行模态展开,采用Galerkin法导出系统的质量、刚度和阻尼矩阵,采用特征值技术进行叶片颤振性能的数值求解。针对周向反对称刚度配置（CAS）叶片进行数值近似计算,揭示了入流比、预扭转角和纤维铺层角等参数对风力机叶片颤振性能的影响。     

风力机叶片三维模型颤振问题

颤振对风力机叶片有巨大破坏力,作为一种典型的气动弹性稳定性问题,在现代风力机的叶片设计中越来越受到重视。建立叶片三维叶型模型和整机振动结构模型,利用振型叠加法计算不同振动模态下的特征频率、阻尼比和振型,得出不同叶片结构参数与颤振的关系。结果表明,叶片型面质心和扭转中心的距离、拍打方向弯曲刚度和挥舞方向弯曲刚度对颤振发生有较大影响。     

风力机叶片气动噪声风洞试验及数值计算

风力机叶片在运行时会产生明显的气动噪声。采用声学风洞开展NACA0012翼型气动噪声试验,获得不同风速下的气动噪声特征。建立基于大涡模拟的数值计算模型,进行升阻力系数对比验证和网格无关性分析。根据流场模拟结果和FW-H方程计算攻角为5°时风速10、15、20 m/s的叶片声压级,计算结果和声学风洞实测的声压级频谱整体趋势较吻合。进一步地,通过数值模拟对比研究不同叶片尺寸对流场和气动噪声的影响。根据不同风速下非定常流场的涡量云图,叶片流动分离点随风速增加而后移,旋涡尺度逐渐变小;同风速下,大尺寸叶片的分离涡更大一些,且涡核间距较大。根据数值模拟得到的不同尺寸叶片的声压级频谱图,叶片尺寸增大导致各频率声压级均有不同程度的提升,且频谱图中的声压级峰值向更低频移动。研究成果对于叶片气动噪声分析和声环境评估具有借鉴意义。     

风力机叶片载荷谱及疲劳寿命分析

研究了大型风力机玻璃钢叶片载荷谱和疲劳寿命的工程估算方法.运用片条理论分析了影响风力机叶片疲劳寿命的气动载荷分布;应用多体动力学方法,分析了旋转叶片动力刚化效应产生的原因及其对叶片振动模态的影响;根据模态叠加法,计算了叶片在气动力、重力和旋转惯性力等确定性载荷作用下的动应力响应;探讨了玻璃钢叶片的疲劳性能、破坏准则及疲劳寿命估计方法;提出了一种基于Palmgren Miner线性累积损伤法则的玻璃钢叶片安全寿命估计方法.通过所设计的1.5MW变速变桨距风力机叶片疲劳寿命估计的算例表明,该方法是可靠和实用的.     

叶片弧度对碟形风力机气动性能的影响研究

随着分布式能源的战略推进,小型低速风力机得到快速发展。碟形风力机具有低噪、高效、自启动等优点,本文对其叶轮进行优化设计,通过数值模拟及风洞试验,研究风轮同弦长下不同叶片弧度对风力机气动性能的影响规律,获得优化参数范围,为风力机叶轮结构定型提供依据。结果表明,叶片弧度对风力机的气动性能影响随着叶片弧度的增加呈先增后减,在0°～180°的7个水平变化中,最大风能利用系数从0°模型对应的0.212增至60°模型对应的0.364,然后下降到180°模型对应的0.168。选取3个模型进行3D打印成型,在低速风洞中进行功率特性测量,将得到的结果与数值模拟的结果进行对比,很好地验证了数值模拟中叶片弧度对风力机气动性能影响的规律。     

运行状态下风力机叶片涂层沙蚀磨损研究

通过对运行状态下的1.5 MW风力机叶片缩微模型进行冲蚀磨损试验,模拟真实运行状态下风力机叶片涂层的冲蚀磨损过程,研究不同叶轮转速、叶片分区、沙粒粒径对叶片涂层冲蚀磨损量的影响,分析叶尖前缘和近后缘处表面磨损的微观形貌,明确了运行状态下风力机叶片与沙粒之间的相互作用方式及冲蚀磨损机理.运行状态下,风力机叶片涂层冲蚀磨损进程特征依次为麻面、冲蚀坑、冲蚀坑合并、涂层小块剥落和涂层大面积剥落.不同叶轮转速下叶片涂层的冲蚀磨损量虽存在差异,但冲蚀磨损进程有着较高的相似性,可将整个过程分为磨损孕育期、快速磨损期和缓慢磨损期.随着冲蚀区域与叶根距离的增大,叶片涂层的冲蚀磨损量不断增大.不同粒径沙粒冲击叶片涂层,冲蚀磨损进程总体趋势相似,但粒径越小,冲蚀磨损进程的发展越缓慢.沙粒冲蚀前缘处的相对运动可近似为垂直冲击,冲蚀磨损特征主要为近圆形冲蚀坑及横向裂纹扩展下的涂层脱落;冲击近后缘处时,冲蚀磨损程度明显低于前缘处,冲蚀磨损形式主要为凹形压痕及鳞片状薄片脱落.     

大型水平轴风力机叶片二自由度气弹稳定性分析

本文根据Kallesøe大型水平轴风力机叶片模型下的动力学方程对无阻尼系统进行有限差分离散后,运用Greenberg气动理论施加分布气动力,得到不对称刚度和一般粘性阻尼的二自由度气弹方程。通过建立系统的线性定常状态空间方程,利用极点实部最大值对叶片的气弹稳定性进行了解析,得到了风速、转速、弹性模量、桨距角、空气密度和叶片密度的稳定性曲线,最后用系统的阶跃时间响应进行了验证。     

水平轴风力机叶片的弯扭耦合气弹稳定性研究

研究水平轴风力机叶片的经典颤振稳定性特性。在导出质量刚度均匀分布的旋转挥舞/摆振/扭转叶片的耦合振动偏微分方程组基础上,引入扩展的Theodorsen模型描述非定常气动力的作用。联合采用Galerkin法、特征值法和时间域积分法对所建立的叶片气弹模型进行求解。通过数值分析获得叶片的挥舞弯曲模态、摆振弯曲模态和扭转模态的根轨迹曲线,分析了叶片面内刚度、扭转刚度和预锥角对叶片气弹稳定性的影响。特征值法稳定性的计算结果的精确度和可靠性通过分析模态展开式中模态截断个数N对颤振边界收敛性的影响,得到验证。稳定性分析的时间域数值积分结果的一致性进一步说明特征值法稳定性计算结果正确性。     

叶片翼型改型设计的研究

一、引言 在风力机设计中,风能转换效率是风力机设计中一个关键指标。一般需要通过叶片的气动性能设计来获得相应的设计参数。其中叶片翼型的设计直接影响到叶片的气动性能,进而影响风能转换效率。鉴于以传统航空翼型作为风轮叶片翼型不能很好的满足风力机的使用要求,国外一些研究机构开发了多种风力发电机组专用的翼型系列,应用较多的有SERI翼型系列、     

风力机叶片挥舞—摆振气弹稳定性分析

根据Euler-Bernoulli梁理论和粘弹性材料的Kelvin-Voigt理论建立风力机叶片挥舞—摆振耦合非线性动力学方程。将位移视为静态位移和动态位移的叠加,进而将非线性动力学方程线性化为动态位移的线性方程,得到叶片耦合振动特征方程。使用基于加权残值的Galerkin方法求解特征方程,分析叶片气弹稳定性,讨论风速、安装角、耦合效应和材料阻尼对叶片颤振稳定性和非线性自激振动行为的影响。结果表明:摆振方向易出现不稳定振动,通过设置安装角,利用挥舞—摆振耦合可以控制不稳定振动,但当安装角太大时,挥舞—摆振耦合会引起不稳定振动。     

风力发电机组叶片材料综述

介绍了木质叶片、合金钢叶片、铝合金叶片,以及目前主要使用的玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料,概述了风机叶片材料的研究及使用情况。阐述了随着风机的大型化,碳纤维增强乙烯基树脂因具有性价比高、工艺性能好等优点,将逐步取代目前普遍采用的碳纤维增强环氧树脂材料。     

水平轴风力机柔性叶片多体动力学建模与动力特性分析

为用较少自由度实现水平轴风力机柔性叶片气弹耦合分析,用超级单元（Superelement）方法将柔性叶片离散为由带有力元弹簧及阻尼器的旋转铰连接的有限个数体,基于多体动力学理论,应用R-W（Roberson-Wittenburg)方法导出叶片多体系统动力学微分-代数方程组;研究方程组数值积分方法及通过脉冲响应谱实现系统动力特性分析方法;分析某1.5 MW风力机叶片在脉冲载荷作用下的动力响应与固有频率,并通过与ANSYS、ADAMS结果对比验证方法及编制程序的有效性与正确性。结果表明,超级单元法能用较少自由度准确描述柔性叶片弹性变形与动力载荷与叶片位移间耦合,为风力机气动弹性耦合及稳定性分析提供实用分析方法。     

风力机叶片挥舞摆振气弹失稳分析

为避免风机叶片在强风作用下发生破坏,需对其采取停机保护措施。该文研究叶片处于非旋转状态时的挥舞摆振气弹失稳现象发生的条件。基于风力机叶片简化模型,采用迭代法求解叶片的自振频率及振型,建立了非旋转叶片挥舞摆振气弹效应响应的振型叠加法,该方法可以便捷地进行叶片多工况气动弹性响应分析。计算了在不同风速不同攻角条件下叶片的挥舞摆振气弹效应响应,得到了叶片挥舞摆振响应随风速和风攻角的变化规律以及不稳定风攻角的分布特征。结果表明：在某些风攻角下,风机叶片挥舞摆振失稳现象在风速较低的情况就有可能发生,其响应幅值与结构阻尼联系紧密。另外,挥舞摆振失稳会大大增加作用于叶片上的风荷载,并进一步造成叶片结构的损伤破坏。     

叶片局部损伤对大型水平轴风力机静动态特性影响的仿真分析

基于参数化整机模型研究风力机的静态和动态特性,以及叶片局部损伤对单叶片和整机的静动态特性影响规律,揭示叶片局部损伤与这些特性的关系。使用ANSYS的APDL语言,实现MW级水平轴风力机复合材料叶片的参数化建模;采用公共几何元素、连接单元和自由度耦合等方法,组建包含叶片、轮毂、塔架等部件的整机有限元模型。计算分析了重力、离心力和风压力共同作用下正常整机和包含叶片局部损伤的整机在迎风位置时的静态响应。比较了正常和损伤状态下根部固定单叶片和装入整机中叶片的动态应变响应。研究表明：对根部固定的单叶片,风轮面内的动态应变响应随迎风面损伤程度的增大而减小;对整机中的叶片,垂直风轮面的动态应变响应随迎风面损伤程度的增大而增大。研究方法和结论对大型水平轴风力机叶片损伤的在线监测具有重要 意义。