复合材料风力机叶片表面裂纹扩展的模拟研究北大核心CSCD

针对风力机叶片表面裂纹扩展对叶片产生危害的问题,文章对1.5 MW复合材料风力机叶片在19 m/s风速下的应力分布进行了流固耦合计算,发现叶根和叶中位置易产生裂纹。基于扩展有限元(XFEM)研究叶片表面裂纹受力后的扩展问题,90°裂纹的扩展速率最快,叶片表面裂纹主要沿弦向进行扩展。当时间步长为100时,均质和复合材料叶片表面裂纹扩展时的最大应力分别为127.50 MPa和65.34 MPa,且裂纹仅在后者的表层进行扩展,这说明复合材料能阻碍裂纹扩展对叶片的破坏,减少应力集中。同时裂纹在叶片内部的扩展更危险,初始尺寸越大的裂纹,扩展时裂尖越容易产生应力积累。     

风力机叶片叶根应力集中区应力状态实验研究

为分析风力机叶片旋转时叶根应力集中区的平面应力状态,采用旋转机械应力应变无线遥测技术,通过叶根最大弦长处压力面应变花测点的布置,在直流式低速风洞开口段进行实验研究,结果表明:在额定风速8 m/s,尖速比由4.5增至6.5的过程中,直角应变花3个方位线应变的绝对值逐渐增大,且沿叶片展向0°方位和45°方位的线应变为正值,以拉弯应变为主,90°方位的应变为负值,受叶片压力面载荷的挤压作用所致;翼型截面弦向测点的最大主应力值大于相应测点的最大剪切应力值,且随着尖速比的增加均增大,其较大值均出现在靠近截面形心的翼型表面,是叶片易受损的危险位置;最大主应力方位角受翼型截面的几何形状和载荷作用效果的影响,自前缘向后缘发展并不呈现一致的规律性。该研究为分析和判断叶片裂纹、预测损坏部位提供直接的实验依据。     

气动力和离心力对风力机叶片应力影响研究

针对自行研制的NACA4415翼型水平轴风力机,通过流固耦合的数值模拟计算方法,考虑气动力和离心力以及两者耦合作用,选取叶片最大弦长、中部弦长、气动中心线展向以及最大应力点位置,分析风力机叶片在不同工况下的应力特性分布规律。结果表明:在气动力作用下,叶片相同弦长位置处迎风面应力小于背风面应力,且随尖速比和入流风速增大而增大,最大应力点位置随着尖速比增大沿翼展向外且靠近叶片前缘方向延伸;在离心力作用下,叶片相同弦长位置处迎风面应力大于背风面应力,且随尖速比增大而增大,而最大应力点均在叶根最大弦长位置(9.93 mm,10.80 mm,-126.33 mm);在耦合作用下,叶片相同弦长位置处迎风面应力大于背风面应力,随尖速比和入流风速增大而增大,且依次大于气动力和离心力产生的应力,而最大应力点均在叶根最大弦长位置。仿真结果对于风力机翼型的选择及优化设计具有重要的理论意义及参考价值。     

风力机次声波的空间辐射及其沿叶片翼展和弦长方向的声压分布规律研究

以FW-H气动声学方程为基础,分析水平轴风力机次声波的产生机理,提出水平轴风力机的远场次声波辐射计算公式。以翼型为NACA 23015的三叶片10 k W水平轴风力机为例,在额定风速8 m/s、叶片半径10 m、转速107 r/min,升力角14°、升力系数1.2的情况下,研究次声波在空间辐射、次声波声压翼展方向和弦向的分布等规律。计算结果表明:省略近声场噪声可显著提高声压计算速度、精度;风力机次声波噪声由厚度噪声和载荷噪声组成,载荷噪声和厚度噪声声压绝对值基本相等;风力机次声波在空间分布上具有一定的指向性;其中风力机次声波产生区域主要集中在沿叶展方向r′/R=0.6~0.9处,同时沿翼型弦向产生的次声波集中在前端1/3弦长处。     

新型变桨风力机结构设计与性能分析

为满足分布式电网发展要求,提高小型风力机风能利用率,防止大风条件损坏风力发电设备,文章设计了一种应用于小型风力机的新型主动统一变桨调节装置。文章介绍了装置的基本构造与工作原理,利用熔融沉积3D打印技术制作小比例模型验证了变桨装置的可行性,并通过数值模拟方法对功率输出性能及风轮载荷进行了模拟分析。模拟结果表明:通过适当调节桨距角大小,可有效控制风力机输出功率保持在额定功率值附近,且高转速条件下增大桨距角对功率输出性能有较强抑制作用;叶片应力集中区域主要在叶根及叶片中部靠近前缘部位,在功率调控过程中,随着桨距角与风速的增加,应力集中区域由叶中向叶根转移,最大应力值总体呈下降趋势。     

风力机叶片周围流场的PIV测试

在直流式低速风洞中,应用二维PIV系统,对水平轴风力机叶片周围流场进行了测试,揭示了在设计风速下,气流以相对风速流过叶片时,叶片周围流场的分布规律.在各个测试截面内,吸力面气流速度均高于相对风速,压力面气流速度均低于相对风速;气流沿叶片表面流动未发生分离时,叶片吸力面速度最大区域位于截面翼型最大厚度处;发生分离时,越靠近叶根位置,吸力面速度最大区域越向下游迁移,且分离点越靠近翼型前缘;叶尖部位存在从翼型后缘看为逆时针旋转的涡流,呈螺旋状向下游传播.PIV测试分析为叶片最佳空气动力学特性的设计提供了指导,并取得了大空间单烟雾发生器直流风洞的PIV实验经验.     

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。     

风浪联合作用下浮式风力机叶片结构强度分析

海上浮式风力机在风浪作用下,支撑平台产生六自由度运动,诱导风力机叶片结构受力复杂。以DTU10 MW单柱式浮式风力机为研究对象,根据IEC标准,联合使用FAST软件和ABAQUS软件计算不同载况下叶片在气动载荷、惯性载荷和重力载荷联合作用下的力学特性。研究发现:叶片的主要承载部分是叶肩附近的主梁区域以及叶片根部;风力机正常工作时,叶片极限载荷出现在额定风速的载况下;叶尖变形主要发生在与风轮平面垂直的法向方向上。     

风力机传动链齿轮齿根疲劳裂纹扩展剩余寿命评估

在叶轮气动载荷模型、柔性传动链模型和齿根弯曲应力模型的基础上,建立了随机风速下风力机传动链齿轮齿根疲劳裂纹扩展剩余寿命计算模型,对不同风速下的齿根弯曲应力进行了计算,分析了随机载荷下裂纹的扩展速率.对1.5 MW风力机太阳轮齿根疲劳裂纹的扩展进行了分析.结果表明:风力机齿轮齿根疲劳裂纹扩展寿命主要受风载荷影响,且紧急制动等冲击对裂纹扩展后期的影响不可忽视.     

大型水平轴风力机叶片应力特征分析

基于ANSYS软件,对某款1 500 kW大型水平轴风力机叶片的应力特征进行了分析.该水平轴风力机叶片在极限挥舞载荷的作用下,叶片大梁和叶根的整体应力水平比较高,而剪切腹板和翼板上的整体应力水平比较低,这说明叶片大梁和叶根是叶片的主要承力部件,而剪切腹板和翼板主要作用是维持叶片结构的稳定性.另外,在叶根与剪切腹板相接的角点上存在应力集中现象,其最大应力为228 MPa,但是,剔除应力集中点后,叶片大梁上的应力比叶根高,叶片大梁中部约1/3区域的应力都比较高,其最大应力为211 MPa,平均应力为180 MPa左右.此外,该叶片的最大应力仅为所采用的玻纤,环氧复合材料拉伸强度的34.8%,说明该叶片的铺层结构设计是偏于安全的,可以适当提高叶片挂机运行时的额定发电功率.     

涡流发生器弦向位置对翼型动态失速的影响机理

采用k-ω SST湍流模型,研究加三角翼涡流发生器（VGs）的DU91-W2-250翼段的动态失速过程,从升阻力系数、表面压力系数、流场、VGs脱落涡发展过程等方面,分析VGs弦向位置（x/c）对动态失速抑制作用的影响规律。结果表明x/c对翼型动态失速过程中的增升效果影响较大,VGs增大了翼型的失速攻角。升阻力及压力结果显示,x/c=0.25时增升效果最佳,翼段上表面压力系数Cp较大;x/c=0.20~0.25时尾缘附着流动较好;从涡量峰值变化看,x/c过大、过小时对分离涡的抑制作用有所减弱;从VGs脱落涡的变化看,x/c=0.20~0.25时VGs下游脱落涡强相对较大,旋涡耗散速度较慢。总而言之,VGs在x/c=0.20~0.25时对翼段气动性能提升效果最佳。     

波浪作用下海上风电伞式吸力锚基础周围冲刷演变机制

以近海风电伞式吸力锚基础为研究对象,进行室内水槽试验和数值模拟,研究波浪作用下伞式吸力锚基础周围冲刷演变机制,分别基于Raaijmakers和Myrhaug模型,提出随机波浪小Keulegan-Carpenter数（KC）情况下伞式吸力锚基础周围平衡冲刷深度预测模型。结果表明：随机波浪下,波峰时形成的旋涡体系主导冲刷过程,此时基础上游逆压梯度最大,这有利于波浪边界层充分分离,形成马蹄形旋涡,马蹄形旋涡和桩侧流线压缩导致筒裙上游两侧约45°圆心角位置剪切流速最大,筒裙和锚枝的设置保护了该位置床面土体,使得最大冲刷深度位置位于锚枝之间。当KC采用KCs,p,且KCs,p<8时,修正Raaijmakers模型预测的平衡冲刷深度Seq'与计算值具有较好的一致性,当KCs,p>8时,预测值与试验值之间的误差变大,修正Raaijmakers模型过分估计了平衡冲刷深度。当KCrms,a<4,n=10时,修正Myrhaug平衡冲刷深度预测模型预测效果最好。     

Spar型浮式风力机涡激运动特性及其抑制研究

为减轻涡激运动对系泊结构的疲劳破坏,提出一种波纹柱体结构,探讨其涡激运动特性及抑制机理。结构与流体的非线性耦合作用通过用户自定义函数（UDF）和动网格技术实现,运动微分方程采用四阶龙格-库塔法求解。研究发现,波纹柱体与裸圆柱结构的涡激运动特性明显不同。裸圆柱随折合速度的增加呈明显的锁定特性,而波纹柱体结构的涡激响应特性与波纹高度Hw/D相关。当波纹高度Hw/D=0.01和0.05时亦会发生锁定现象,但锁定区间较裸圆柱小,当波纹高度Hw/D=0.02~0.04时结构不再发生锁定问题。结果表明,波纹结构对柱体的涡激运动有明显抑制作用。     

太阳能热泵联合风电蓄热供暖系统优化研究

设计一种太阳能热泵联合风电蓄热系统,并建立系统动态模型。为获得最大太阳辐照量和最小生命周期成本,使用4种不同优化算法对集热器倾角（CTA）、集热器方位角（CAA）、集热器面积（CA）、水箱容积（TV1、TV2）、热泵功率（HP1、HP2）和电锅炉功率（BP）等关键参数进行优化。以乌鲁木齐某单位行政楼的供暖系统为对象进行算例分析。结果表明:Hooke-Jeeves方法优化效果最佳,CTA为(φ-6°)（φ为当地纬度）、CAA为(α-2.5°)（α=0°为正南朝向）时,可使系统获得最大采暖季辐照量;TV2/BP为69.8 L/kW,TV1/CA为86.4 L/m²,（HP1+HP2）/CA为125.6 W/m²,系统生命周期成本最低,相比优化前,参数优化后的系统生命周期成本节省11.8%。     

p型多晶硅PERC太阳电池LeTID特性和机理的研究

热辅助光诱导衰减（LeTID）作为一种不可忽视的太阳电池效率衰减现象,其衰减机制和相关缺陷形态的演变过程亟需澄清。针对p型多晶硅钝化发射极局域接触（PERC）太阳电池,研究在不同光照强度下的衰减规律,光照促进了衰减-再生反应的进行,衰减程度随光照强度减小而增大。对衰减起主导作用的是由LeTID过程中产生的体内深能级缺陷导致的SRH复合,该缺陷中心的电子与空穴俘获截面之比k值在33~37范围内,而对衰减影响较小的浅能级缺陷可能是k值在0.1~1.0之间的Fe—B复合物。     

高能流密度下太阳能密集光伏组件射流冲击冷却特性

针对高能流密度下密集阵列光伏组件的冷却控温问题,采用模块化阵列射流冲击装置实现电池控温。基于Fluent软件对密排光伏组件阵列射流冲击换热进行数值模拟,研究不同射流孔径、冲击间距比与射流孔长径比等关键参数对其电池冷却的影响特性,综合分析了质量流量和能流密度变化对其冷却效果和所获电能的影响规律。结果表明冲击间距比对电池的换热效果存在最优值,在本文范围内h3/d=4.5时换热效果最佳,但随着孔径的增大其换热均匀性有所下降;射流孔高度增大,换热效果和电池表面温度均匀性均降低;随着电池表面聚焦能量增加,其发电功率将成比例增加,而电池温度仅有小幅度升高;随着质量流量的合理增加,电池温度大幅度降低,且所产生的压降功耗基本不变。该文工作能为高倍聚光密集阵列光伏组件的高效均匀控温设计提供基础。     

磁集成交错并联LCL型高增益变换器

针对分布式光伏发电并网对高增益DC-DC变换器的需求,提出一种基于耦合电感倍压单元的磁集成交错并联高增益变换器,通过改变倍压单元匝数比N提升电压增益的同时将所有电感进行磁集成,推导变换器的电压增益、开关管和二极管的电压应力及暂态和稳态等效电感表达式。理论分析表明该变换器具有较高的增益,电压增益是传统交错并联开关电容电感变换器的（N+1）/2倍,电感以最佳耦合度集成后稳态电流纹波有所减小,暂态响应速度提高约2.5倍,搭建一台功率100 W的实验样机,样机测试验证理论分析,证明了磁集成变换器相较于传统变换器具有更好的电气性能。     

风速分布差异对永磁风力发电机组故障特性的影响分析

为了更有效地辨识永磁风力发电机组的故障特征,从叶轮扫掠面内的实际风况出发,综合考虑风剪切、塔影效应产生的风速时空分布差异,并研究该差异对永磁风力发电机组故障特征的影响。首先介绍考虑风速时空分布差异后的风速模型（等效风速模型）,然后基于该模型对永磁风力发电机组常见的电气和机械故障特性进行理论分析,分别推导得出考虑风速时空分布后绕组不对称故障、叶轮不平衡故障以及这2种故障复合作用下的定子电流表达式;最后利用Matlab/Simulink平台进行仿真验证。研究结果表明,与现有的基于轮毂处平均风速的故障特征相比,考虑风速时空分布差异后,永磁风力发电机绕组不对称故障特征中含有3kP(k为整数,P为叶轮转频)为主的调制频率;叶轮不平衡故障特征频率除P和3kP外,还出现了P与3kP的耦合调制;复合故障下频率成分会更复杂。     

基于光纤传感的风电机组叶片应变传递特性研究

针对在进行应变感知时光纤感知到的应变和叶片基体实际应变会存在一定偏差（即应变感知传递偏差）的问题,开展基于光纤传感的风电叶片应变感知传递特性研究,以建立应变传递分析模型。首先确定光纤光栅应变传感器布置策略,然后利用理论和数值仿真相结合分析载荷、光纤（纤芯）直径、包层（传感结构参数）、粘接剂厚度、光纤相对基体位置、叶片材料属性参数等对应变变化及其传递特征的影响,分别考虑表面粘贴式和嵌入式2种布置模式。最后,基于多因素的正交试验分析,通过回归分析建立光纤感知应变（传递值）与传感结构参数、光纤相对基体位置、材料属性之间的关系表达式。研究结果表明：随着光纤传感器植入深度的增加,应变传递大小以中性层为对称面对称分布;轴向杨氏模量E1、轴向和横向构成法平面内的剪切模量G12、轴向和纵向构成法平面内的剪切模量G31对2种布置形式的应变传递都有明显影响。     

硫氧镁水泥固化沿海风电场滩涂软土加固机理及微观特性分析

沿海风电场滩涂软土含水率高,压缩性大,必须对其加固才能进行风电基础施工。为研究硫氧镁水泥固化滩涂软土的加固机理及微观特性,开展了硫氧镁水泥复合固化剂加固滩涂软土的XRD试验以及不同初始含水量（w）、固化剂掺量（Wg）和龄期（T）下固化滩涂软土的扫描电镜（SEM）试验,利用图像处理技术研究固化滩涂软土微观孔隙、微观颗粒形态以及接触面积率（RCA）受Wg、w和T影响的规律。研究结果发现,固化滩涂软土主要由石英、5Mg（OH）₂·MgSO₄·7H₂O相（简称5·1·7相）、白云石、叶腊石、M-F-A-S凝胶相以及少许CaO和MgO构成,固化机理包括改性硫氧镁水泥的水解和水化反应、离子交换及填充作用和碳酸化作用,固化滩涂软土微观孔隙可分为凝胶、接触和骨架3种类型,固体颗粒呈叶片状、颗粒状和凝块状3种形态。微观结构参数（RCA）与宏观力学参数,即初始切线模量Ei和强度指标（c和φ）均随w的增加而减小,随着Wg和T的增加而增大。最后建立了固化滩涂软土的RCA与Ei、c、φ之间的函数关系。