大型风力机尾迹双向流固耦合特性分析

风力机尾迹区域的流场特征对风电场的优化布置具有重要意义。文章基于流固耦合理论,采用ANSYS+FLUENT方法和滑移网格技术对NREL 5 MW风力机的尾迹特性进行了系统分析。结果表明:在风力机近尾迹区流固耦合情况下风力机的输出功率和轴向推力更接近NREL设计值;在远尾迹区、双向流固耦合情况下,轴向速度更早地在风力机下游6倍风轮直径X=6D处达到来流速度,而湍流强度也提前在X=2D处出现拐点开始下降,在X=6D处达到9.8%,流场进入低湍流度区,从而得到了风力机合理布置方面的重要结论,这将对风力机合理布置和风电场经济性的提高提供一定的参考。     

随机风载荷下大型风力机叶片/机舱/塔架耦合动力学分析

由于风力机叶片所受风力来流的随机性和风力机结构的复杂性,大型风力机在随机风载荷下的动力学行为分析一直是风电行业急需解决的难题之一。利用MATLAB/Simulink对随机风速进行了模拟,通过柔性多体动力学方法建立了符合实际的风力机叶片/机舱/塔架耦合动力学方程。在随机风载荷下对目前国内1.5 MW主流风力机的叶片、塔架的动力学行为进行了实例分析,得到了10 min时序随机风载下的叶片挥舞位移、速度历程和塔架的位移、速度历程。分析结果表明,在随机风载下,风力机启动时叶片、塔架振动较为剧烈,随时间的增加叶片、塔架振动幅度逐渐减小,振动速度也呈减小趋势。该研究结果为我国风力机设计理论的完善和工程实践奠定了一定的基础。     

基于气动弹性理论的风力机叶片耦合分析

针对风力机叶片,建立其结构动力学方程,推导分析了叶片旋转所产生的振动速度及其对来流的影响。基于BEM(Blade Element Momentum)理论,在风力机空气动力学基础上,建立了风力机的气动耦合分析模型。应用该模型,对某2MW风力机进行了计算分析,得到了叶片在额定工作风速下的振动变形、速度、加速度以及叶片沿展向的变形和载荷分布。充分考虑叶片的结构振动特性与来流风速的耦合效应,使得风力机空气动力学特性模型更加准确,对于风力机的设计和分析具有重要意义。     

动态齿侧间隙与啮合角作用下行星齿轮传动系统动力学建模与分析

该文考虑齿轮振动对直齿行星齿轮啮合齿侧间隙与啮合角的影响,建立包含动态齿侧间隙与啮合角的行星齿轮动力学模型。以转速为控制变量,使用数值积分算法对该模型进行求解,对比该模型与早期固定齿侧间隙与啮合角模型的动力学响应特性。仿真结果表明:低转速下两种模型的预测结果基本相同,随着转速的增大,该文提出的新模型表现出更丰富的非线性特性。     

基于土基-结构耦合作用的风力机塔架地震时频特性分析

为研究不同土质时地震载荷对大型风力机结构动力学响应的影响,基于Wolf方法建立风力机基础平台与土体的耦合模型,通过FAST软件仿真Wind PACT 1.5 MW风力机在不同土质和不同地震强度时塔架的动力学响应。通过分析不同工况下风力机的结构动力学响应,发现地震载荷对塔顶位移和塔基弯矩的影响不可忽略,尤其是塔顶侧向位移和塔基俯仰力矩。在九级设防烈度地震作用下,相比无地震工况,软土、硬黏土和岩土地质风力机塔顶侧向位移分别增大925%、785%和771%。且由于软土阻尼最小,能量耗散小,所以地震后塔架响应降低的速率最慢。     

大型水平轴风力机传动系统的动力学研究

风力机传动系统动力学是风力机动态性能分析和控制系统设计的重要基础。采用弹簧-质量-阻尼系统结构以及风力机运行机理，建立了风力机传动系统的刚性轴模型和柔性轴模型，确定了相应的仿真分析方法。在此基础上以并网型300kW水平轴风力机为分析对象，对其传动系统在紊流风场作用下的动力学性能进行了仿真计算并分析了计算结果。     

差动调速风电机组齿轮传动系统动态特性研究

针对差动调速齿轮传动系统的刚体动力和振动特性进行研究,考虑传动系统的实际工作状况和主要内外部参数激励,建立差动调速齿轮传动系统的非线性动力学模型和振动微分方程,在SIMULINK中搭建差动调速齿轮传动系统数值模型,仿真分析其动态特性。结果表明:相对于齿侧间隙为零,齿侧间隙不等于零则使高频振动幅值波动更明显,同时加大了对低频振动的影响,表现出明显的非线性特征,因此在差动调速齿轮传动系统的动态设计和运行过程中,应注意控制和监测齿侧间隙值。     

风力机侧向振动稳定性研究

对风力机系统的动态稳定性问题，即风力机侧振与叶轮摆轮的耦合运动，以及由叶片静不平衡引起的响应问题进行了研究。     

土-构耦合效应对15 MW风力机地震动态响应的影响

为研究土-构耦合效应对下一代大型海上风力机地震动态响应的影响,通过对开源软件FAST进行二次开发,采用模态加速度法计算地震载荷,建立了海上风力机地震动力学仿真模型,并据此研究了考虑及忽略土-构耦合效应时15 MW风力机在正常运行工况和停机状态下的塔顶振动和支撑结构载荷变化特性。结果表明：土-构耦合效应虽然对地震诱导塔顶振动剧烈程度的影响较小,但在一定程度上抑制了停机时侧向振动的恢复;忽略土-构耦合效应将导致泥面处结构弯矩的预估值偏低约29.6%;考虑土-构耦合效应时,面内弯矩在地震结束后依然保持较大的变化幅度;针对海上风电结构抗震设计,应当考虑增加系统阻尼以及时降低由地震激励引起的面内载荷。     

基于流固耦合的风力机模态分析

风力机大型化的发展趋势对风力机自身动力学特性的要求越来越高,开展风力机模态分析对于风力机的设计至关重要。文章采用k-ωSST紊流模型和滑移网格技术,对美国国家可再生能源实验室5 MW海上风力机进行了流固耦合模态分析。结果表明,旋转风轮中各叶片变形相互影响,并与轮毂的弹性变形成为一个耦合系统,其固有频率相对于单叶片有较大幅度降低;动力刚化效应使得叶片的固有模态频率增加;考虑风轮的流固耦合效应时,风轮的自振频率要比不考虑流固耦合效应时低;整机在流固耦合作用下一阶模态值大于旋转频率,大于波浪的频率,不会发生共振。     

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...     

计入齿圈柔性的风电机组行星传动动态特性研究

为研究齿圈柔性对风电机组行星齿轮传动系统动态特性的影响,将连续体的柔性齿圈离散成多段刚性轮齿段,以连接处的扭簧扭转刚度来量化齿圈的柔性特点。在行星架随动坐标系下,综合考虑啮合刚度、支撑刚度和齿圈柔性等因素,建立计入齿圈柔性的行星传动系统平移—扭转耦合动力学模型,继而分析齿圈柔性、齿圈支撑点数目与负载力矩对齿圈变形及系统啮合力的影响,并进一步揭示太阳轮浮动轨迹在不同齿圈支撑点数目下的表现特点。研究结果表明:工作过程中的柔性齿圈产生较大的弹性变形,致使太阳轮与行星轮啮合力幅值出现长周期波动,且其频谱中出现多个转频成分,经对比发现该转频分别为行星架转频、ζ倍行星架转频及2ζ倍行星架转频(ζ为齿圈支撑点数目)。当支撑点数目与行星轮个数满足倍数关系时,太阳轮浮动轨迹较为规律,其外轮廓与刚性齿圈条件下一致;否则,浮动轨迹外轮廓呈现出具有ζ个瓣叶的花瓣状。     

变风载下风力发电机齿轮传动系统动力学特性研究

根据风力发电机齿轮传动系统所处的由随机风速引起的复杂变工况环境,用自回归AR风速模型模拟实际风场的风速,获得了由随机风速引起的时变风载荷;采用集中质量参数法建立了传动系统的纯扭转动力学模型,求得了系统的固有频率和阵型;研究了传动系统在时变风载下的动态特性,求得了各齿轮的振动位移和各齿轮副的动态啮合力,为风力发电机传动系统的动态性能优化和可靠性设计奠定了基础。     

风电齿轮传动系统弹流润滑特性研究

为研究风电机组齿轮传动系统的润滑特性和动力学特性,以SQI风电机组传动系统实验平台中两级定轴齿轮箱为研究对象,综合考虑齿轮油膜刚度、齿轮啮合刚度以及轴承时变刚度等,计入轴的柔性并采用有限元法建立多自由度渐开线直齿轮动力学模型,利用Newmark 积分方法求解多源时变激励下两级齿轮传动系统的动力学特性。讨论不同工况条件对油膜刚度的影响,并研究系统润滑特性、固有频率和振型的变化规律。研究结果表明,在考虑齿轮润滑效应后,齿轮啮合刚度降低,系统动态特性变化趋于敏感,系统固有特性均有所变化,其中对第11阶影响最为突出,然而在系统共振转速附近,固有特性变化趋势有所减弱。     

风电机组中两级齿轮传动系统动态温度响应与实验研究

为研究风电机组齿轮传动系统的动态温度场分布特性,以SQI风电机组传动系统实验平台中两级定轴齿轮箱为研究对象,综合考虑齿轮时变啮合刚度和轴承时变刚度对系统影响,采用有限元法并计入轴系柔性建立两级平行轴齿轮箱的齿轮-轴-轴承耦合系统动力学模型.依据传热学原理对热传导,对流换热等参数进行分析,运用有限元法对系统动态温度场进行...     

风电机组行星轮系柔性齿圈疲劳寿命研究

为探究风电机组行星轮系柔性内齿圈在动态啮合力作用下的疲劳损伤规律,建立考虑内齿圈结构柔性的行星轮系动力学模型,运用瞬态动力学进行仿真计算得到内齿圈结构应力时域历程,并通过试验验证该动态应力仿真结果的正确性。运用雨流循环计数法及Goodman平均应力修正法得到对称循环应力,随后结合Miner线性损伤理论计算内齿圈结构的弯曲疲劳寿命,分析内齿圈结构变形引起应力变化对疲劳寿命的影响,探讨不同轮缘厚度、支撑数量及不同负载下内齿圈结构疲劳寿命的变化规律。结果表明：内齿圈疲劳寿命受到齿圈结构变形和轮齿变形的共同作用,轮缘越薄内齿圈结构变形越剧烈,各轮齿间寿命差距越大,两支撑间各轮齿疲劳寿命波动趋势越复杂;当齿圈柔性较大时,其最大应力由齿圈结构变形引起且疲劳破坏点由齿根向齿槽偏移,齿圈柔性较小时其疲劳寿命主要取决于轮齿变形。     

开关磁阻风电制氢动力传动系统机电耦合动力学分析

为揭示开关磁阻风电制氢动力传动系统的机电耦合作用规律,考虑齿轮系统的详细特性和制氢装置非线性物理细节以及发电机电磁特性,建立包含风轮、齿轮传动系统、开关磁阻发电机、制氢装置的开关磁阻风电制氢动力传动系统机电耦合动力学模型,仿真分析变风况下系统的能量流、机电耦合动力学特性以及并联电解槽数量对系统动态特性的影响.结果表明:...     

考虑齿圈柔性的风电行星轮系动态啮合特性研究

针对集中参数法难以考虑齿圈柔性而有限元法计算量大的问题,以风电行星轮系为研究对象在集中参数/有限元混合法基础上提出一种揭示内啮合齿轮副延长啮合现象的分析方法。首先采用集中参数法建立风电行星轮系的动力学模型,并求解获得动态啮合力;随后,运用有限元法建立行星轮系内啮合齿轮副的有限元模型,并开展静态接触分析从而获得内啮合齿轮副各啮合位置发生多齿啮合时的变形阈值;最后,将集中参数模型获得的动态啮合力施加在内齿圈有限元模型上计算出内齿圈的动态响应,并结合发生多齿啮合时的变形阈值,从而揭示在不同负载和支撑数量下内齿圈上多齿啮合的分布区域,获得接触应力和齿根应力,分析啮合齿对数量改变前后对应力的影响。结果表明：考虑齿轮柔性后,内啮合齿轮副会出现除理论啮合齿对外其他齿对相接触的现象;随着负载扭矩的增大,内齿圈上三齿啮合首先发生在支撑两侧,随后三齿啮合发生区域不断增加;当行星轮与内齿圈间的啮合由理论两齿啮合变为三齿啮合时,其齿面接触应力和齿根应力小于其在相同时刻只计入两齿啮合时的应力值。     

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。     

风冰联合作用下大型单桩海上风电机组动力特性

考虑风荷载与冰荷载联合作用对大型单桩海上风电机组的影响,基于IEA 15 MW超大型单桩海上风电机组,采用一体化分析软件Openfast建立风冰联合作用下大型单桩耦合数值模型,开展超大型单桩海上风电机组在风冰联合作用下的动力响应分析。探究不同加载时长、冰激振动模型以及疲劳损伤组合方法对大型单桩海上风电机组的动力响应规律。计算结果显示：不同冰载数值计算模型塔基与泥面线载荷的计算结果差别较大,泥面线受冰荷载影响较大,同时泥面线位置较塔基位置承受更大的疲劳损伤,应重点关注。采用不同的荷载组合方向进行泥面线与塔基位置的疲劳损伤估计时,计算结果较风冰联合作用下疲劳损伤相对误差较大。因此,宜采用风冰联合加载的方法进行大型单桩海上风电机组的动力响应模拟,进而开展超大型单桩海上风电机组的疲劳损伤估计。