风力机变桨故障叶片载荷特征及仿生分形与原始结构对比研究

为探究切出风速下风力机变桨故障叶片的载荷及动力学特征,利用FAST软件进行数值计算,发现载荷及叶尖位移分别为变桨成功叶片的13.6和14.2倍,可知变桨故障叶片极可能发生结构失效断裂事故。为改善结构力学性能,提出结合仿生方法及分形理论的新构型叶片,并通过有限元分析与原始叶片进行对比,其中载荷边界条件来自以数据库方式存储FAST计算结果的叶片17段载荷数据。结果表明：仿生分形叶片重量及叶尖位移分别比原始叶片减少23.4%和19.7%;同时,结构屈曲分析显示,仿生分形叶片一阶屈曲因子为1.858,比原始叶片提高33.6%,极大增加了叶片结构安全性。     

切出风速下风力机变桨故障叶片气动特性及准静态结构响应分析

为探究大型水平轴风力机达到切出风速停机后变桨故障叶片的气动特性及准静态结构响应,基于计算流体力学方法对NREL 5 MW风力机变桨故障/成功叶片气动侧状态进行分析,并利用双向弱流固耦合及曲屈分析对典型方位角下变桨故障叶片展开研究。结果显示：切出风速下变桨故障叶片挥舞力矩平均值为变桨成功叶片的13.8倍,且前者的流场尾迹更为明显。此外,180°方位角变桨故障叶片较之0°方位角变桨故障叶片应力及叶尖位移分别减小29.8%和32.7%,一阶屈曲因子增加20.2%。     

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。     

大型风力机液压变桨机构建模分析

对大型风力机液压变桨距机构进行建模并对其工作特性进行深入分析。仿真结果表明,该模型真实反映了风力机在风速高于额定风速时液压变桨距机构的动态特性,为深入研究风力机的功率控制和最大能量捕获提供了可能。     

风力机中央主弹簧离心变桨装置

阐述了风力机的调速问题和变桨距调速原理;从简化变桨装 置的结构,提高风力机调速的可靠性入手,介绍了中央主弹簧离心变桨 装置的设计特点。     

不同空气密度下的风力机变桨策略优化研究

针对风力机叶片在较低空气密度下易出现失速等问题,在提前变桨控制策略的基础上,提出了实时调整提前变桨控制策略中的变桨微动角度的调节方法,并采用CFD数值仿真及现场试验进行验证。结果表明,实时调整提前变桨控制策略中变桨微动角度,提高了风力机组在不同运行条件下的适应性,改善了风力机叶片在低空气密度下的流动分离,减小了叶片的动态失速,提升了风力机功率,最大增幅为3.17%。     

垂直轴风力机变桨控制策略及气动性能影响研究

以H型Darrieus垂直轴风力机为研究对象,基于不同尖速比下攻角随相位角变化规律,提出一种俯仰角控制策略,即攻角较大时俯仰变化幅值较大,而攻角较小时幅值较小。通过数值计算了解此控制方式对气动性能的影响规律,分析变桨后不同旋转角度下风力机涡量场的变化,并讨论气动载荷变化的原因。结果表明：所提俯仰角控制策略可显著增强风力机功率系数,且尖速比较低时提升效果越显著,在TSR为1.25时功率系数提升高达146%。     

基于额定风速以上的风力机变桨控制研究

变桨控制系统是变速变桨风力发电机组的重要组成部分,它不仅关系到大型MW级风力发电机组的安全运行,而且能控制风力发电机组,使其吸收更多的风能。文章基于2.0 MW变速变桨风力发电系统,采用PI控制策略,提出了增益调度控制算法,计算了PI增益随风速变化而变化的数值。通过调用线性化结果文件,设计了风力发电机组控制器回路,得出了满意的响应结果。最后基于GL规范,在湍流风的情况下对关键零部件是否加控制策略所得到的载荷进行了对比,结果显示关键零部件的载荷有显著降低,满足控制策略设计的要求。     

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。     

新型变桨立轴风力机涡效应分析

该文旨在通过变桨来改善升力型立轴风力机叶片气动特性,提高风力机最大运行效率。针对设计尖速比下风能利用系数较低的问题,提出减小叶片小攻角范围,增大叶片大攻角工作范围,以重点改善叶片低性能区域的气动特性为出发点,提高风能利用系数新变桨思路。以采用NACA0012翼型、2 m高和2 m旋转直径的两叶片H型风力机为研究对象,从涡理论来分析和比较在最佳尖速比为5的条件下,附着涡、尾随涡、脱体涡和桨距角对攻角、切向力和功率输出的影响规律。研究结果表明:变桨后,叶片的攻角、切向力和输出功率在原最大值两侧均有明显提高,拓宽了叶片高性能的工作区域;涡系中脱体涡对叶片气动特性影响最大,其中在上盘面影响较小,在下盘面影响较大;变桨前后涡系对上盘面的差异较小,对下盘面的影响差异较明显;变桨后,下盘面的叶片的涡尾迹弯曲程度在加大。     

基于流固耦合的风力机叶片模拟分析

文章选取风轮直径为2 m的水平轴风力机为研究对象,采用数值模拟计算的方法研究叶片在不同工况下的位移及应力/应变。研究结果表明:气动载荷使叶片产生挥舞方向的变形,且在展向上有较大幅度的位移;随着风轮转速的增加,叶片的位移有明显的增加,沿弦向前缘压力大于后缘的压力,沿展向叶根处变形要小于叶尖。     

基于风轮气动特性的风力机变桨优化控制策略研究

当风速大于额定风速时,风电机组通过控制变桨机构调整桨距角来减小风能捕获,从而使机组的输出功率保持在额定功率附近。变桨系统一般采用PI(比例积分)控制算法,但由于风轮气动转矩与风速、风轮转速、桨距角呈高次复杂非线性关系,单一控制参数的变桨控制器难以满足风电机组在额定风速以上的运行性能要求。为了解决单一变桨控制性能不足的问题,提出一种基于风轮气动特性的风力机变桨优化控制策略,该策略通过测量桨距角当前值来动态调整变桨控制器参数,可有效提升变桨系统随风动作连续性,减小由变桨控制引起的转速与功率波动,削减机组由变桨动作引起的动态载荷。     

风力机叶片及塔架流固耦合分析

采用ANSYS Workbench软件,对国内某200 kW水平轴风力机流场进行数值模拟,计算出风力机叶片表面的压力分布和旋转域速度分布。通过对X方向不同截面总压、湍动能和涡粘性分布情况进行分析,得到了风力机下风向上述3个物理量的变化规律。将风力机流场的计算结果施加到固体计算中,进行风力机叶片和塔架整体的流固耦合模拟计算,分析得出风力机叶片、塔架应力和变形量的分布情况。最后进行模态分析,得到其前十阶振动频率和振型,为风力机安全运行和叶片的优化设计提供参考。     

新型变桨风力机与数值模拟分析

针对小型风力机功率控制,提出一种新型主动变桨调节方式,分析变桨控制理论及工作原理,利用ANSYS Workbench对建立的1.5 kW风轮模型进行模拟分析,研究该风力机在不同工况下桨距角随风速的变化关系、风轮表面压力变化情况以及变桨调节机构应力分布规律.结果表明:风轮表面最大压力出现位置,随着桨距角与风速的增大,由迎...     

风力机变桨系统单神经元自适应PID控制

在分析风力发电系统能量转换理论的基础上,将单神经元自适应算法与常规PID算法结合,通过单神经元自学习,对PID控制器的系数进行在线调整,提出一种单神经元自适应PID调节变桨角度的控制方法,建立了风力机桨距角控制数学模型.风速超过额定值后,利用单神经元自适应PID控制器进行变桨控制,将控制结果与采用常规PID控制器的控制性能进行了对比.结果表明:单神经元自适应PID控制器可以将输出功率恒定在额定值,能够对变桨系统进行有效控制,达到预期的目标.     

兆瓦级风力机液压变桨执行机构疲劳寿命分析

文章建立液压变桨执行机构有限元模型,通过静力学分析得到液压缸与活塞杆的应力分布结果,动力学分析得到液压缸与活塞杆的疲劳载荷谱,将静力学、动力学分析结果及修正后的液压缸及活塞杆材料S-N曲线导入到MSC.Fatigue软件得到风力机液压变桨执行机构疲劳寿命云图。在此基础上,对一台2 MW风力机液压变桨执行机构,对比分析材料及载荷频率改变对液压变桨执行机构疲劳寿命的影响程度,并对液压缸与活塞杆最易受损位置进行了结构优化。研究结果表明,对液压变桨执行机构的设计,尤其在提高液压变桨执行机构甚至风力机整机疲劳寿命方面具有重要指导意义。     

垂直轴风力机新型变桨控制策略参数组合气动分析

低尖速比下垂直轴风力机攻角一般较大,流动分离现象较严重,可通过变桨调整叶片攻角以减少叶片流动分离提高其气动效率。以H型Darrieus垂直轴风力机为研究对象,基于攻角随相位角变化规律,提出一种俯仰角控制策略,此控制方式特点是在不同相位角时攻角成比例地减小,在大攻角时大幅减小攻角,而在小攻角时变化幅度较小,之后通过数值计算验证其效果。结果表明：所提俯仰角控制策略可显著提升功率系数;相较单一参数控制策略,不同参数组合的控制策略方式虽然在0°～180°（迎风区）与180°～360°（背风区）的风能捕获效率会相互影响,但提升效果也更好。此外,不连续的俯仰角速度将导致扭矩波动,通过采用权函数对俯仰曲线进行拟合可消除该波动。     

基于激光雷达的风力机分离测风独立变桨控制策略

在基于叶片根部载荷的PID独立变桨控制的基础上,引入激光雷达并提出优化的独立变桨控制方法.利用激光雷达可重建风力机前方风场信息的特点,对风力机前方风速进行提前测量.提出并使用统一风演化模型对所测数据进行二次处理,得到更贴近实际的叶轮中心风速,进一步使用所提出的分离测风方法对叶根载荷进行提前计算,根据载荷的计算值进行独立...     

变速变桨风力机叶片载荷控制策略

针对变速变桨风力机叶片受力特点,提出叶片载荷控制策略。将叶片载荷分为静态和动态两部分。静态部分采取单神经元PID控制器对桨距角和电机转矩进行控制;动态部分采取多叶片坐标转换理论将变量从旋转坐标系转换到固定坐标系,再将力矩转换为桨距角,然后通过多叶片坐标逆变换将控制得到的参数转换为旋转坐标系中的参数。最后将动态部分的参数值和静态部分的单神经元PID控制器的输出桨距角相加,一起构成风力机变桨所需的控制值。采用风力机专业软件Bladed开发外部控制器,并对控制策略进行仿真研究。将外部控制器和内置控制器的控制性能进行了仿真对比,仿真结果表明:外部控制器能够有效降低叶片根部的倾斜力矩和叶片拍打力矩,外部控制器的控制性能更优,验证了所采用的叶片载荷控制策略的正确性。     

变桨距风力机叶片的气动优化设计

首先利用Wilson方法进行叶片的外形初步设计,然后以设计攻角作为变量,以额定风速下功率系数最大为优化目标,建立了1 MW变桨距风力机叶片气动外形优化模型,采用遗传算法进行了优化再设计。通过对3叶片1 MW风力机进行的气动性能评价结果表明,优化后的风力机具有更好的气动性能,说明采用该优化方法进行变桨距风力机设计具有明显的优越性。