水平轴风力机叶片的截面与动力特性分析

风力机叶片在旋转过程中受重力和离心力作用,产生动力刚化导致固有频率增加。文章以NRELPhase VI风力机叶片为对象,在其内部分别添加圆形腹板、单腹板和双腹板,建立3种不同截面的叶片三维模型,并结合复合材料对叶片铺层进行动力学分析。结果表明,叶片采用的铺层方案能有效避免共振,并且3种叶片模型的重量均接近叶片的真实值。在额定转速下,3种腹板叶片的一阶频率增量随腹板的厚度增加而增加,但在两倍额定转速时,单腹板和圆形腹板的一阶频率增量随腹板厚度增加而减少;同时,腹板中的双轴向玻璃布材料以±45°铺设时,一阶固有频率最大,而由动力刚化引起的一阶频率增量较其他角度小。     

复合材料叶片截面刚度对风力机叶片气弹响应的敏感性研究

为更深入考查叶片刚度对风力机气弹响应的影响,对叶片截面的刚度矩阵中的主对角线刚度系数在稳态风和湍流风况下的风力机气弹响应的影响以及敏感性进行系统研究。气弹模型中的气动模块采用基于叶素动量理论,并采用几何精确梁理论对叶片的结构动力学响应进行仿真。选用美国可再生能源实验室（NREL）5 MW风力机组作为基准模型,调整叶片各截面刚度矩阵的主对角线刚度系数,利用敏感性影响因子评估刚度系数变化对叶片载荷的影响。结果表明：主对角线上挥舞方向的剪切刚度、挥舞弯曲刚度、摆振弯曲刚度、扭转刚度对气弹响应具有中高的敏感性。研究结果对掌握风力机气弹响应规律,发掘更深层次的风力机叶片设计方法提供了一定的指导意义。该方法能进一步扩展至研究叶片刚度对风力机机组气弹响应的敏感性研究。     

风力机模型叶片结构设计计算

设计了一种用于风洞实验的风力机模型叶片,为了使模型叶片的结构设计达到试验要求,基于传统Wilson方法,考虑叶尖损失和失速状态下动量理论的失效修正,采用改进后的Wilson优化设计方法 ,利用MATLAB优化工具箱计算出各截面的参数,然后针对叶片的受力情况,根据各截面几何参数利用材料力学理论知识对叶片的强度和刚度进行校核,计算得到叶片的总应力、转角和挠度沿叶高的分布曲线。分析表明,叶片的最大总应力、最大转角和最大挠度都远小于叶片材料的许用值。因此,该风力机模型叶片在结构设计、强度和刚度上是满足要求的,为风力机模型的进一步试验研究奠定了基础。     

基于Timoshenko梁风力机叶片瞬态响应分析

为分析风力机叶片的瞬态响应,利用二节点Timoshenko梁对叶片进行离散化建模,考虑叶片的剪切效应,离心钢化效应,分析叶片振动的固有属性。建立叶片动力学运动方程,分析叶片所受的载荷。以某型1.5 MW风力机叶片为算例,分别计算其在阵风、电网电压跌落时所受的载荷,考虑叶片气动阻尼,利用模态综合法求解叶片动力学方程,得到叶片的瞬态响应。结果表明,无论阵风,还是电压跌落均会对叶片产生明显的冲击效应,气动阻尼对叶片的瞬态响应有较大影响。     

考虑风力机叶片截面扭转运动及外形变化的气动弹性分析

把叶片简化成非均匀悬臂梁,利用二结点梁单元进行离散化建模,分析截面扭转、挥舞和摆振导致外形变化后的动态气动特性。在建立叶片结构动力学方程、计算叶片所受载荷的基础上,运用Newmark法,编制相应程序,以某5MW海上风力机为例,通过迭代计算,分析截面扭角变化、挥舞倾角和摆振倾角对叶片气动力和气动力矩的反馈作用。     

基于几何精确梁理论的风力机叶片单元

为研究大变形带来的非线性特性,基于几何精确梁理论建立一种用于叶片的非线性单元。该叶片单元考虑了材料非线性以及截面偏心的影响。采用Gauss-Lobatto积分和微分求积法离散积分形式的平衡方程,并推导出增量线性方程。用3个标准算例验证单元的正确性。最后,该叶片单元被应用于10 MW风力机的叶片和整机模态分析,准确地获得风力机系统的固有频率和振型。     

科氏力对水平轴风力机叶片的影响

基于叶素理论和风力机的运行特点,建立了叶片的科氏加速度理论计算模型;应用有限元原理,给出了考虑科氏力时风力机叶片频率的计算方法;根据小扰动思想推导出了叶片在旋转状态下的动频分量.最后应用以上模型和方法,以600 kW风力机叶片为例进行了实体建模、动力学分析,得出频率及相应振型,结果表明科氏力对叶片的频率有一定程度的影响.     

风力机叶片旋转对测风仪的影响

采用CFD方法对1.5 MW风力机叶片DF77A和DF77D进行三维定常数值模拟。分别与风力机设计功率数据进行对比,在确认数值计算结果可信的基础上,对比了两种叶片三维粘性流场的流动细节,分析了两种叶片在不同来流风速条件下气动性能,同时详细分析了两种叶片对1.5MW机组机舱尾部测风仪的影响,为大型兆瓦级风力机优化设计提供参考。     

离心载荷对小型风力机叶片模态特性影响分析

以300 W小型水平轴风力机风轮为研究对象,建立风力机模型,针对叶片结构进行动态特性有限元分析,主要通过模态分析研究离心载荷对叶片固有频率的影响。结果表明:通过比较模拟与实验值发现误差小于3%,振型节点在0.2R、0.58R、0.79R、0.88R(R为叶片长)。叶片所受离心载荷增加会导致叶片各阶动态固有频率上升,同时其挥舞振型对应的固有频率受载荷影响较大;离心载荷使叶片受到离心刚化作用,从而会使得叶片截面刚度上升,引起叶片动态固有频率升高。     

气动载荷对风力机叶片动态结构特性影响分析

建立复合材料风力机叶片铺层模型,针对叶片结构进行动态特性分析,主要通过模态分析研究了气动载荷对叶片固有频率的影响。借助ANSYS(有限元分析软件)复合材料模块,根据叶片几何和铺层参数实现叶片建模,并通过实验值验证了有限元模型的准确性。基于叶素-动量理论计算获得叶片极限气动载荷,以极限载荷的20%为载荷步,分析了叶片结构特性受载荷影响的变化趋势。结果表明:叶片所受载荷增加会导致叶片各阶固有频率下降,同时其摆振振型对应的固有频率受载荷影响较大;气动载荷会削弱叶片各微元段向平衡位置恢复的能力,导致叶片截面刚度下降,进而引起叶片固有频率降低。     

铺层纤维方向对风力机叶片强度的影响分析

利用复合材料有限元法和Tsai-Wu强度理论,研究铺层纤维方向对叶片3个不同结构区域叶根、翼型过渡区域和翼型区域强度性能的影响。结果表明铺层纤维方向对3个区域的强度性能影响具有明显差异性:0°铺层纤维方向在靠近叶根端部和叶片外区域处具有最优强度性能;45°铺层纤维方向在几何突变附近区域表现出最优强度性能。经分析表明差异性主要是由于不同区域的面内应力分量特性导致的,该结论的正确性由弯曲正应力的理论解和数值解的对比获得验证。同时铺层纤维方向对叶片强度最危险区域——叶根几何突变处的受压和受拉面的强度性能影响同样表现出差异性。     

扰动入流对风力机叶片流场及输出功率的影响分析

基于漩涡法与实验条件修正入流条件,结合延迟分离涡湍流模型,对水平轴风力机气动特性进行数值模拟。分析风力机压力系数、截面涡量和功率特性,并与均匀入流和实验数据对比。研究表明,修正的扰动入流对风力机叶片叶根处截面压力系数的影响比均匀入流更大,但随翼展方向趋于一致;扰动致使在叶片0.57~0.71 R处产生更大的涡量损失,小于额定尖速比时输出功率更接近实验值。基于漩涡法的风力机气动特性模拟方案,可更有效地应用于风力发电预测研究。     

叶片根部改型对风力机性能影响的研究

为研究叶片根部改型对风力机性能的影响,采用SST k-ε湍流模型对改型前后的风力机叶片进行三维流场数值模拟研究。通过分析叶根区域流场和压力分布可知:根部改型可改善叶根区域的流动形态,减小叶根的失速分离区,能有效控制分离涡的发生位置,提升叶根的气动效率;根部改型可改变叶根区域叶片表面的压力分布,加大叶根部位上下面压差,从而提高叶根转矩,使风力机出力增加;根部改型后,风力机的功率最大提升2.13%,增幅明显。     

风力机叶片翼段气弹变形对翼型气动特性影响分析

当前弹性变形对风力机性能的影响是叶片气弹耦合机理研究重点,忽略了气弹变形对翼型气动特性的影响,而风力机性能很大程度上取决于变形后翼型气动性能。基于叶素动量理论及有限元法,采用MATLAB与APDL语言编制气动载荷插值程序,建立复合材料风力机叶片翼段气弹耦合模型。针对某2 MW实际叶片变形较大的叶尖附近翼段,选取厚度相同的3种不同翼型,通过不断迭代收敛研究翼段气弹变形对翼型气动特性的影响。研究表明,3种翼型气弹变形对其气动性能均有不同程度影响,而对WT180翼型影响较小。该研究对于设计抗气弹变形的新型翼型具有重要的理论指导作用。     

不同湍流模型对风力机叶片翼型气动性能参数计算结果的影响研究

为了比较不同湍流模型得到的风力机叶片翼型气动性能参数计算结果的区别,采用S-A、SST k-ω和RNG k-ω这3种湍流模型对风力机叶片NACA0018翼型进行数值计算,然后将得到的结果和文献给出的风洞实验值进行比较,最后分别讨论了一阶迎风、二阶迎风和QUICK这3种离散格式对计算精度的影响。结果表明:当翼型在未失速(攻角小于14°)状态时,RNG k-ω模型得到的升力系数值与实验值最为接近;当翼型处于失速状态(攻角大于等于14°)时,S-A模型得到的升力系数值与实验值最为接近,而SST k-ω模型得到的阻力系数值与实验值最为接近。     

铺层参数对风力机叶片结构性能的耦合影响分析

依据二阶响应曲面设计原理,构建铺层参数各自不同水平方案。以整体结构性能最优为目标,铺层参数为自变量,叶片强度、刚度为响应变量,采用Design Expert中Box-Behnken试验设计方法进行试验设计,仿真分析叶片静强度和刚度;经多元线性回归分别建立铺层参数与Tsai-wu失效因子、最大位移之间的二阶耦合映射关系,并对数学模型及回归系数进行显著性检验;分析单一铺层参数和两两交互作用对叶片结构性能的影响,获得性能优化的铺层参数取值,验证方法的正确性和有效性。