小型风力机大风限速方法的发展与研究现状

总结了小型风力机常用的大风限速方法的发展与研究现状,介绍了具有风轮侧偏机构的风力机和被动变桨矩风力机的结构动力学的研究进展,以及尾舵空气动力学和结构动力学的研究现状.     

新型重力式海上风力机基础结构动力特性分析

提出一种新型海上风力机重力式基础结构形式,介绍其构造与特点。以5 MW风力机为例建立该新型基础及上部结构的整体有限元模型,进行自振特性与地震响应分析,并重点讨论环境水体对结构动力特性的影响。结果表明:1)该新型结构,塔筒柔而基础刚,形成"二元"刚度体系;2)考虑环境水体作用的结构自振频率较未考虑水体作用时小,且振型中的水体淹没部位参与越多,自振频率的减小越显著;3)因水体"附加质量"效应,水下结构地震反应增强,水上结构则不然,其反应略微减小。建议进行重力式海上风力机基础的抗震设计时,应考虑环境水体影响,否则计算偏于危险。     

微小型风力机重力调速机构侧倾角优化分析

在借鉴前人成果的基础上,分析调速机构的工作原理,推导出重力调速过程中各力矩的表达公式,并设计制造出300 W风力机的重力调速机构;通过建立风力机调速数学模型,用Matlab编程软件对斜铰轴机构的侧倾角β″进行优化处理,并对其进行车载实验验证。结果表明:采用Matlab优化设计结果与实验测试值基本吻合,达到侧偏调速的要求。     

重力式海上风力机雷电暂态响应研究

针对重力式基础海上风力机的防雷保护问题,该文构建一体化电磁暂态模型,基于电磁暂态软件ATP-EMTP研究雷电暂态响应,并分析叶片长度、塔筒高度和桨叶旋转角度等关键因素的影响。仿真结果显示:雷击引起MV级的暂态电压变化,并呈现欠阻尼式振荡衰减,塔基处仍存在kV级的响应电压;桨叶长度和风力机塔筒高度均与雷电暂态响应幅值成正相关;当遭受雷击的叶片与水平面夹角呈90°时,机舱处暂态电压最高。     

大型风力机圆形扩展基础倾覆破坏机理分析

为研究以坡积土为持力层的风电基础在风荷载作用下的倾覆破坏机理,以2 MW装机容量的圆形扩展基础为研究对象,基于ABAQUS有限元软件对该基础的室内1∶10缩尺模型的地基土应力和基础沉降进行计算研究。同时利用该基础的缩尺模型试验结果验证数值模型的可靠性。研究表明:随机风荷载引起的地基土应力的扩大效应和不均匀沉降的扩大效应,是导致风力机基础出现倾覆破坏的主要原因;当受强风荷载作用时,迎风侧基础边缘的土体首先进入塑性区,发生屈服破坏,导致上覆土体隆起,基础倾覆破坏就会随之发生。建议在进行风电基础设计计算时,对风力机基础中轴线上的相对沉降验算点处的沉降乘以合适的沉降扩大系数,以保证基础结构安全稳定。     

H型垂直轴风力机启动性能分析

以H型垂直轴风力机为研究对象,从最基本的启动特性入手,采用三维CFD技术,结合剪切应力输运SST κ-ω湍流模型,模拟分析了全尺寸垂直轴风力机的安装半径、叶片弦长、安装角度和叶片数目四个参数对其自启动性能的影响。结果表明,上游叶片和塔筒的尾流对下游叶片气动特性具有影响,当叶片处于上游尾流区内时,牵引力急剧减小,当气流从两叶片之间穿过时,风力机启动力矩可达到最大值;风轮的静态启动力矩随叶片安装半径的增加而增加,即叶片安装半径越大,自启动性能越好;当叶片弦长从0.1 m增至0.4 m时,启动力矩增长较快,当叶片弦长大于0.4 m时,力矩随叶片弦长增加的幅度明显减小;不同的叶片安装角度对垂直轴风力机启动性能的影响较小,当安装角从1°增至8°时启动力矩也随之缓慢增加,当安装角达到9°时启动力矩迅速减小;叶片数目越多,风轮的最大启动力矩越大,自启动性能越好。     

风力机重力调速机构主要特征参数的优化实验研究

推导出自制重力调速机构平衡方程;详述机构主要特征参数选取原则,确定机构尾舵质量、尾杆长度、后倾角及侧倾角4个参数为优化对象。依托Matlab软件,设计L_(25)(5~6)正交实验表。搭建车载实验平台,对25组正交数据进行实验,用统计学R软件分析实验结果。结果表明:侧倾角对风力机调速影响最显著,后倾角、尾舵重量、尾杆长度的影响相对较弱;后倾角12°、侧倾角5°、尾舵质量2 kg及尾杆长度0.4 m为最佳组合。在最佳状态下,车载实验功率波动率ξ平均值为5.16%,风轮侧偏角随时间的变化呈对称抛物线分布,可以保证大风时电机输出功率维持在额定功率附近。     

H型垂直轴风力机气动设计参数分析

采用多流管模型分析了H型垂直风力机展弦比和实度对其功率系数的影响,并对叶片旋转过程中攻角随尖速比的变化进行了分析。结果表明,在H型垂直风力机气动设计中展弦比为15时,其最大功率系数为展向无限长时的最大功率系数的88.0%;而实度在0.1~0.3时最大功率系数较大。     

折叠式H型垂直轴风力机设计与分析

轻便的风力机可以在野外环境下满足人们活动和生存的电源需求。文章针对便携可折叠需求,提出了一种便携折叠式H型垂直轴风力机。对风力机风轮参数和折叠机构进行了设计,采用双致动盘多流管模型对比分析了采用不同翼型的叶片气动性能,确定较优翼型。运用双致动盘多流管模型算法计算叶片的极限载荷,求解采用不同材料时叶片的重量,寻求适合便携式风力机叶片的材料。对极限载荷作用下的折叠机构连接杆进行静力学分析,保证风力机结构的设计安全性。静力学分析结果表明:采用NACA0018翼型的叶片气动性能更优;材料选择PEEK ST45CA30时,叶片重量最轻;在极限载荷作用下,设计的折叠机构连接杆满足安全要求。     

Savonius型风力机结构的优化设计

对传统Savonius型垂直轴风力机各几何参量进行优化,在此基础上加入一种半自动阀门装置,得到的新型Savonius风力机,在设计风速10m／s下,对其各项空气动力学性能参数进行计算。结果表明,这种风力机具有很好的开发意义,可应用于沿海地区民宅的小型风力发电,城市公共照明及景区夜景工程的离网供电。     

S型风力机气动设计

概述S型风力机的工作原理以及优缺点。系统分析了影响S型风轮气动性能的外形参数,总结出S型风力机达到最优气动性能时的外形参数。以最优外形参数为基础设计完成额定功率为300W的S型风力机的气动外形,所得结果可以同类型风力机的设计提供理论指导。     

扩散型风力机叶片的优化设计

基于叶素-动量理论和简单的扩散器效率计算方法,建立了一种用于低风速场景的扩散型风力机模型,该模型包含了风力机来流风速、叶轮平面处风速、扩散器出口风速、尾流风速、风力机叶片荷载、叶素参数及风能利用系数之间的关联关系。针对某型号扩散型风力机,利用该模型开展了叶片结构参数的优化设计,并通过Fluent软件对优化设计前、后的风力机流场进行了仿真模拟分析。分析结果显示：在额定工况下,优化设计前、后扩散型风力机的叶尖速度、叶轮转矩、风能利用系数都得到一定程度的提升。以期该研究结果可为小尺寸低风速风电机组的叶片设计提供可行方向。     

垂直轴风力机技术讲座(三) 升力型垂直轴风力机

1 升力型垂直轴风力机概述 近30年来,螺旋桨式水平轴风力机发展迅速,已成为大型商业风力发电的主流.与此同时,以达里厄风力机为代表的升力型垂直轴风力机也受到一些风电发达国家的关注.虽然垂直轴风力机没有像水平轴风力机那样快速发展,但也取得了一定的进展.     

风力机风轮模态局部化的动力学机理与影响因素分析

该文对风力机叶片损伤导致风轮模态局部化的动力学机理与影响因素进行研究。首先从代数特征值角度,揭示模态局部化的动力学机理,发现结构产生模态局部化的主要原因是存在密集模态。其次,建立NREL 5 MW风轮结构的有限元模型,分析叶片失谐度、模态阶数和失谐位置对风力机风轮结构模态局部化的影响。结果表明：叶片损伤失谐会造成叶片的振型发生显著变化,产生模态局部化现象;同时在某些模态下,系统振动能量集中于损伤叶片,会加速叶片损伤,致使其产生疲劳破坏。因此在风力机结构设计时,需考虑模态局部化对风力机结构的动力学特性影响。     

基于GDW理论的失速型风力机整机性能分析

分析了BEM在风力机非稳态性能仿真应用中的局限,提出了基于GDW的风力机整体性能联合仿真模型.针对600kW失速型水平轴风力机,在Matlab 7.1的Simulind工具箱中建立了气动力模型及风力机的结构动力学仿真模型,并在ADAMS中建立了包含柔性叶片和塔架的整机虚拟样机模型.利用部件间的力和运动关系将三者联系起来,实现了整机联合仿真模型的建立,并以此分析了风力机的功率系数Cp、功率曲线、叶片和塔架顶部的变形等参数变化的规律,并与Bladed软件的计算结果比较,证明了该仿真方法的正确性.     

垂直轴风力机技术讲座（二）——阻力型垂直轴风力机

1阻力型风力机工作原理1．1升力与阻力如图1所示．在流体中的物体所受到的力F可以分解为一个垂直于来流的升力分量L和一个平行于来流的阻力分量D。不同形状,不同大小物体的升力与阻力是不同的,一般采用无量纲参数（升力系数C和阻力系数CD）来表述。     

风力机远尾流速度型建模

通过研究风力机尾流速度型的分布形态,引入二项分布方程并将其转化为高斯分布方程,基于Garrad Hassan的风力机尾流实验,建立一个预测风力机远尾流速度型的工程模型。按照建模的实验条件,对引入致动盘方法的流场求解附带可实现k-ε湍流模型的轴对称不可压Navier-Stokes方程,对比分析CFD计算结果和建模结果。通过与实验结果和CFD结果的比较分析,验证本风力机尾流模型的有效性。     

近海风力机的模态分析

为了得出无预应力条件下1.5 MW风力机整机的自振频率,采用有限元方法对简化后的海上风力机塔架和桩基耦合结构进行固有特性分析,得出了无预应力条件下该耦合系统的自振频率,输出其低阶振型图和相应的模态振型曲线,根据Campbell图与外界激励频率(即风轮额定1P、3P和6P)进行对比,判断其是否会在外界激励条件下发生共振,得出该风力机风轮运转的临界转速和运行的安全区。最终得出风力机整机的模态分析。结果表明:整机的模态振型在塔架与桩基耦合结构的振型基础上出现了摆振和挥舞的复合运动,整机的固有频率与实体的静态特性频率较相近。     

LFD16型75kW风力机螺旋钢管塔架结构分析

塔架作为风力发电机的支承部件，其结构直接影响到风力机能否正常运行，同时又影响到风力机成本的高低。我校研制的ＬＦＤ１６型７５ｋＷ风力机采用螺旋钢管做为塔架，其结构简单，不需要复杂的加工过程。工艺性好；重量轻（仪８２３ｋｇ），安装方便，整机一次起吊安装完成；与钢架结构比较，既节省原材料又减少安装成本及安装周期，具有明显的经济性和优越性。１塔架结构及其强度分析本风力机使用的塔架为自动焊接螺旋钢管。钢管材料为Ｔ／Ｓ５２ｋ，其机械性能：屈服极限σｓ＝３．５×１０４Ｎ／ｃｍ２，强度极限σｂ＝５．１×１０４／…