大型风力机叶片三维建模及模态分析

对大型风力机叶片开展了三维建模和模态分析。先确定叶片几何参数,再将其翼型平面坐标转换为空间坐标,并通过Proe生成叶片三维几何模型。采用模态提取方法 Block Lanczos法对叶片进行模态分析,得出了叶片的前10阶模态,结果显示叶片的主要振动形式为挥舞和摆振,有较强的抗扭转能力,设计中应加强叶片的弯曲刚度。这为大型风力机叶片的设计和优化提供参考。     

垂直轴风力机中马格纳斯效应力最大化与叶片转速的研究

在基于马格纳斯力驱动的垂直轴风力机理论研究的基础上,研究了风场中旋转柱形叶片所能够获取最大马格纳斯力的方法. 从最大风能利用率和最低能耗角度出发,把叶片在风力机中所处动态方位角与叶片的合理旋转速度联系起来,提出了旋转叶片的最大功率跟随的叶片转速控制问题并进行系统研究,为马格纳斯力驱动的垂直轴风力机的控制和实际应用提供理论基础.     

考虑气动弹性的风力机叶片外形优化设计

针对气动弹性对风力机性能的影响,引入叶片受载时的扭转角,建立了考虑气动弹性的风力机空气动力学模型。在此基础上,提出了以额定风速下风能利用系数为目标的优化模型,优化模型中将叶片的弦长和扭角分布作为设计变量,并考虑了气动弹性对风力机叶片性能的影响,以850 k W风力机叶片作为参考叶片,运用改进的遗传算法对其进行优化设计,结果表明:相比参考叶片,优化后的叶片的最大风能利用系数得到提高,同时,在叶片质量减小的前提下,风力机的输出功率得到提高,最高达23 k W。该设计方法为设计出高性能低成本的风力机叶片提供了理论依据。     

基于脉冲激励响应的风力机叶片结构阻尼计算

针对大型风力机叶片气弹振动问题,提出一种基于脉冲响应的大型风力机柔性叶片结构阻尼有效分析方法.采用一种5自由度的超级单元,将柔性叶片离散成由若干超级单元构成的多体系统,基于计算多体系统动力学中的R-W方法建立了叶片的动力响应模型.以美国可再生能源实验室(NREL)发布的5 MW近海风力机叶片为研究对象,通过分析叶片在脉冲激励下的动力学响应得到其传递函数,由半功率带宽法计算叶片在静止和运转工况下的挥舞与摆振结构阻尼,从而为确定叶片气弹稳定性的边界提供依据.该研究对于指导叶片结构与气动外形设计、帮助确定其气弹稳定性边界具有重要意义.     

屋顶安装型风力机塔架风振反应分析

为了研究屋顶安装型风力机塔架在风荷载作用下的动力性能,对该塔架进行风振时程反应分析.建立考虑叶片传至塔架作用力的塔架振动方程,采用引入快速傅里叶变换(FFT)技术的谐波叠加法分别模拟得到叶片和塔架的风速时程,利用叶素理论计算叶片传至塔架作用力.研究屋顶集风效应和叶片旋转对此类风力机塔架风振反应的影响.结果表明考虑屋顶集风效应后塔架的风振反应有一定增强;叶片旋转情况下塔架位移和弯矩显著增加.     

流体激振理论在风电机组叶片分析计算中的应用

通过理论计算分析风力发电机组叶片在进行结构设计时,自激振动对风力机叶片运行振动的影响.应用激振理论综合考量风力机叶片振动机理,找到了风力机叶片振动的根本原因,并提出了相应的判据.研究表明：风力机影响叶片振动稳定性的根本原因在于空气来流速度与叶片弦线夹角正弦值的正负情况影响.     

基于Davenport谱风机叶片旋转状态下的应力分析

为了确保风力机叶片安全可靠运行,对其进行了旋转工况下的应力分析.以UG建立的叶片实体模型为研究对象,运用更加贴近实际工况的Davenport风谱建立了近海风场,利用Newmark法求解了结构运动方程,并在与文献试验结果对比的基础上,数值模拟了叶片应力分布.研究结果表明,风力机叶片的位移响应与应力响应幅值均随来流风速的增加而增加,旋转速度和来流风速均对叶片在相对弦长和相对翼展方向上的最大mises应力变化趋势有明显影响,该结果可以为风力机叶片优化设计提供参考.     

地震波传播方向对风力机动力响应的影响

为了研究风力机遭遇地震时地震波传播方向对动力学响应和机组性能的影响,基于Wolf土-构耦合模型和多体系统动力学理论建立了5 MW风力机的动力学分析模型.通过编制程序实现了风力机地震波、气动载荷与结构弹性变形相互耦合响应的数值仿真.结果表明,正向地震主要影响叶片挥舞方向振动变形和塔基的俯仰力矩,而侧向地震主要影响叶片摆振方向振动变形和塔基的横摇力矩,地震作用下叶根力矩最大值增幅可达66. 67%,塔基力矩最大值增幅可达98. 23%.     

水平轴风力机的叶片设计与基于CFD的流场分析

选用NACA44系列翼型,基于经典的Glauert旋涡理论进行风轮模型设计。在FLUENT软件中采用不可压N-S方程和k-ωSST两方程湍流模型对该风力机进行三维旋转流场的数值模拟,得到流场的流动细节与流动特性,从而对风力机流场进行分析。探索性地研究了三维旋转流场物性参数的分布特征以及叶片周围流场的分布规律。     

汽轮机末级叶片动力特性的有限元计算

以国产600MW汽轮机末级1029mm叶片为研究对象,分析汽轮机叶片的动力特性。首先,建立汽轮机叶片的实体模型和有限元模型。以结构动力学和刚体动力学基本方程为理论基础,将叶片简化根部完全固定的悬臂梁结构。通过大型有限元软件ANSYS Workbench计算出末级叶片在静止状态和不同转速下的前6阶模态频率和振型,得出模态频率随转速的变化曲线。同时,对叶片进行频率响应分析,得到了激振力作用下叶片的振动位移和应力分布。     

基于流固耦合的叶片动力特性分析

在考虑耦合流场与旋转预应力条件下,建立了对应的叶片流固耦合系统的动力特性方程.采用ANSYS与FLUENT对整体叶片的耦合模态进行了计算,并利用实验获得气流压力脉动数据,对叶片振动进行了瞬态分析.结果表明:在旋转预应力与耦合流场压力作用下,叶片模态频率约有9Hz的上升,模态振型的最大位移位置点转移,振动方向改变,前三阶相对振幅分别从29.128,19.400,44.566下降到28.945,19.285,44.562;叶片最大变形和加速度位于前缘的上端,最大应力点集中在叶片根部一侧.     

停机状态叶片位置对风力机体系气动性能影响

为了研究停机状态下叶片不同位置对风力机体系气动性能的影响程度,以南京航空航天大学自主研发的3 MW水平轴风力机为研究对象,采用大涡模拟(LES)方法对停机状态下叶片不同位置时的风力机体系气动性能进行数值模拟.基于8种计算工况(由叶片旋转全过程状态下和塔架的相对位置确定)下的三维非定常数值模拟结果,研究风力机体系表面空间风压分布特性及周围流场的作用机理,总结出不同停机状态下叶片位置对风力机气动性能和干扰效应的影响规律.结果表明,叶片停机位置对风力机体系表面风压分布和绕流特性的影响显著,上游叶片的遮挡效应对塔架迎风面和侧面产生显著影响,随着塔架与叶片相对位置的接近,塔架背风面尾涡区域变得细长且不规则.     

小型风力机风轮叶尖近尾迹区域声辐射测试与分析

为解决小型风力机风轮叶尖近尾迹区域的噪声问题,利用BSWA VS302USB振动噪声采集分析系统,在风洞开口试验段对不同尖速比条件下的水平轴风力机风轮叶尖下游进行近尾迹声场声辐射测试,对叶尖下游的辐射噪声频谱和声压进行了分析.试验结果表明：风轮旋转过程中风力机叶尖辐射噪声频谱是由旋转风轮的基频及其谐波所构成的离散噪声叠加在宽频噪声上组成的,其中叶片离散的旋转噪声在总噪声级中占主导地位.在叶尖翼型后缘下游存在叶尖涡和附着涡诱导效应区,对流场的扰动较大;在风轮叶尖区域叶片周围存在高压力脉动区域,声压级最强部分靠近叶尖下游区域.     

非惯性系下旋转柔性叶片的动力学分析

旋转柔性叶片是汽轮机关键零部件,针对叶片振动损伤问题,考虑经历大范围运动的柔性叶片刚性运动与弹性变形运动之间的相互耦合,应用哈密顿原理建立了旋转柔性叶片非线性动力学控制方程.考虑旋转离心惯性力的影响以及轴向变形与横向变形之间的耦合,基于假设模态法对方程进行离散,研究了不同转速下梁端部位移的响应.研究结果表明,刚性旋转运动对柔性叶片端部位移的响应具有明显的影响,并且由于离心力的存在,出现了动力刚化现象,文中所用方法及数值仿真结果可用于研究旋转柔性叶片的振动失效问题.     

双层反转垂直轴风力机的流场特性数值模拟

针对由垂直轴风力机运行过程中的动态失速问题所导致的功率系数较低的问题,提出双层反转构型的垂直轴风力机. 通过在传统垂直轴风力机内侧设置反转向辅助叶片的方式,改善垂直轴风力机流场,从而提高其功率系数. 将该风力机与传统垂直轴风力机进行计算流体动力学数值模拟对比分析,研究不同叶尖速比情况下两者流场特性的差异以及双层风力机内外层风轮起始运转相位差的影响. 通过计算得到的内层辅助叶片的时均扭矩系数为正,不需要额外功率输入. 外层叶片的扭矩系数结果表明,采用这种构型会降低叶片上游区域扭矩系数的峰值,同时大幅提高下游区域扭矩系数,从而实现时均发电效率的提高. 对流场中涡系结构进行分析,结果表明,功率系数提升的原因是内层辅助叶片的反向旋转抑制了主叶片的动态失速. 特别是当叶尖速比为1.85时,在初始相位差为90°的对比算例中,与传统垂直轴风力机相比,新构型下的叶片时均扭矩系数提高了43.92 %.     

变风速下风力机叶片载荷特性研究

根据风力机的气动理论,并考虑风切变和风力机结构、几何参数的影响,建立了风力机叶片的气动载荷计算模型。以基本风速、渐变风速、阵风风速和脉动风速4种风速类型建立了变风速模型,并应用于叶片载荷计算模型,实现变风速下的叶片气动载荷的计算。以某MW级风力机为对象,给出了数值计算流程并进行了实例计算,结果显示：风力机叶片的气动载荷主要分布在叶片的中段和叶尖,且载荷大小随风速起伏变化,叶根的气动载荷随风速变化的趋势不明显,风速较大时,叶片上的载荷波动较为显著。结果可为叶片的结构设计和动力学分析提供参考。     

风力机叶片在拍打方向的载荷估计与可靠性分析

为了保证风力机在复杂的载荷下安全、稳定运行,提出了一种用于分析风力机叶片在拍打方向上的疲劳概率模型．该模型利用应力-强度干涉理论,并且假定风速服从威布尔分布．考虑风速的不稳定性作用,在风力机叶片上分布载荷的不确定因素,并假定风力机的设计寿命为20a．在拍打方向上的疲劳概率通过一阶可靠性方法计算．计算了风速为12m／s,湍流度为I=0．02、0．1、0．15、0．2的4种情况,并对耿贝尔分布、三参数威布尔分布以及威布尔分布3种分布进行了比较．通过比较得知,耿贝尔分布的直线性比较好,而三参数威布尔分布以及威布尔分布都有尾部现象．最后,以600kw风力机叶片为例,通过应力-强度干涉理论来对叶片的可靠性进行估算．计算结果表明该台风力机符合可靠性要求．     

大型风电机组主动减振电气控制方法综述

为了延缓风力机振动、延长机组寿命和提高运行稳定性,设计电气控制系统实现大型变速变桨风电机组的主动减振具有重要的现实意义。在风力机振动模态分析的基础上,围绕风轮叶片、塔架和传动链这3种主要零部件的主动减振控制方法展开综述,并详细分析独立变桨距控制和阻尼控制在风力机减振控制中的应用。研究结果表明:独立变桨距控制可有效缓解风轮不平衡载荷、改善叶片振动问题;阻尼控制通过变桨距控制和转矩控制提供附加电气阻尼信号,可增大塔架和传动链的等效阻尼,从而达到减小振动的目的。由于风力机振动模态之间的耦合关系,设计减振控制方法时需考虑风电机组整体的优化协调问题,结合独立变桨距控制和阻尼控制,兼顾叶片、塔架和传动链的协调减振,是值得进一步研究的问题。     

达里厄风力机恶劣工况下气动特性的数值模拟

以一台具有三个叶片的达里厄风力发电机为例,分析了不同相位叶片的受力特点;基于Fluent软件,采用雷诺时均N-S方程和k-ωSST模型,结合MRF旋转坐标系技术对垂直轴风力发电机进行了二维数值模拟,研究了该垂直轴风力机的风轮扭矩的周期性变化规律,确定了一个旋转周期内的恶劣工况。通过对恶劣工况下不同来流风速和转速时的瞬态数值模拟获得了其流场特征。研究表明:叶片之间的干扰和风轮的气流泄露将在不同程度上影响风力机的性能,并模拟计算了增加叶片后的扭矩变化规律。     

基于BEM理论的兆瓦级风力机叶片设计及其气动性能

根据风力机设计标准,在考虑叶尖损失和升阻力等影响因素的条件下,采用BEM理论设计了2 MW桨距控制型风力机叶片。为验证所开发风力机叶片的气动性能,对风力机模型进行全三维CFD数值模拟。模拟结果表明,该叶片静压强、绕流特性、湍流强度等符合叶片气动特性规律,满足设计要求。叶片展向的升阻系数与二维升阻系数对比结果表明,全三维的数值模拟能更准确地反映叶片绕流的气动特性。