基于B-L气动模型的旋转水平风机叶片经典颤振稳定性分析

研究旋转水平轴风力机叶片周期时变气弹系统的经典颤振稳定性特性。叶片结构采用具有挥舞和扭转耦合的典型界面振动模型,引入Beddoes-Leishman气动模型为旋转叶片提供低攻角处周期时变的非定常气动力;为了研究颤振边界,利用标量风速和挥舞/扭转固有频率比对所建立的旋转叶片气弹模型进行变型。在此基础上,通过时域响应曲线分析旋转叶片挥舞自由度和扭转自由度气弹稳定性特性,分析了标量速度,叶片刚度,挥舞/扭转固有频率比和结构阻尼的影响,揭示了旋转叶片经典颤振边界的变化规律且其准确性得到验证。     

风力机叶片挥舞—摆振气弹稳定性分析

根据Euler-Bernoulli梁理论和粘弹性材料的Kelvin-Voigt理论建立风力机叶片挥舞—摆振耦合非线性动力学方程。将位移视为静态位移和动态位移的叠加,进而将非线性动力学方程线性化为动态位移的线性方程,得到叶片耦合振动特征方程。使用基于加权残值的Galerkin方法求解特征方程,分析叶片气弹稳定性,讨论风速、安装角、耦合效应和材料阻尼对叶片颤振稳定性和非线性自激振动行为的影响。结果表明:摆振方向易出现不稳定振动,通过设置安装角,利用挥舞—摆振耦合可以控制不稳定振动,但当安装角太大时,挥舞—摆振耦合会引起不稳定振动。     

基于Floquet理论的旋转风机叶片动力失速气弹稳定性研究

研究旋转风力机叶片动力失速气弹稳定性问题。叶片结构采用标量化的挥舞和扭转自由度耦合的振动运动模型,旋转风机叶片的气动力由Beddoes-Leishman失速模型来模拟,通过攻角在深度失速区域内的变化来计算出周期时变的非线性气动失速负载。在系统静平衡点附近对非线性气弹系统进行线性化,采用Floquet理论分析旋转叶片动力失速气弹稳定性,其结果得到系统时域响的验证。通过数值分析,揭示了挥舞扭转固有频率比和结构阻尼对颤振边界的影响。     

考虑风速分布的叶片MPC气弹控制

作为叶片失效的重要原因,颤振一直是风电领域研究重点。以抑制叶片工作过程中的颤振为目的,建立分析模型时应充分考虑实际风速分布特别是风切变和塔影效应对叶片振动的影响,并在离散化后求取平均输入风速。针对小型风力机叶片气动弹性稳定性问题进行综合分析,根据实体结构建立叶片气弹模型,考虑非线性气动力作用时叶片大攻角、大风速工况下产生的高频、高幅失速颤振,模拟典型截面仿真振动位移。通过模型预测控制的滚动优化和误差矫正控制叶片挥舞、摆振两个运动方向的振动频率和幅值,结果表明振动形式实现控制后可在短时间内达到稳定且静差可接受。     

风力机叶片压电抑振效应与能量耗散机制研究

压电智能叶片是随着风力机向大型化发展而被提出的自适应减振概念叶片，本文探索了叶片压电抑振效应和能量耗散机制，提出了适用于变截面三维叶片的等效梁截面气弹模型设计方法，并基于同步测振测力气弹风洞试验对比研究了15 MW风力机叶片压电抑振效应；再基于二次开发的机电耦合叶片动力学模型，分析了机电气弹耦合模态的转速演变规律与能量分布形式，揭示了压电叶片的能量耗散机制。研究表明：提出的气弹风洞试验方法可有效反映压电叶片风振抑制效果；压电材料可缩小风力机叶片的敏感风向角区间，提高大幅锁频振动临界风速，延长气弹失稳的能量积累时间；压电材料导致叶片风振能量在模态空间均分转移，削弱了负阻尼模态的能量集聚，增强了正阻尼模态的能量耗散。     

基于非线性气弹耦合模型的风力机柔性叶片随机响应分析

为准确模拟柔性叶片在紊流风速下的气弹响应,研究叶片振动对气动载荷与气弹响应的反馈,构建包含多体系统动力学模型与气动模型的柔性叶片非线性气动弹性力学模型。在将细长柔性叶片离散为多刚体系统基础上,运用计算多体系统动力学理论和Roberson-Wittenburg的建模方法,结合叶素动量理论,采用Kaimal模型模拟脉动风速,建立风力机柔性叶片的气弹耦合方程。算例以美国可再生能源实验室(NREL)研制的5 MW近海风力机为研究对象,分析叶片的振动和叶根的挥舞与摆振力矩,研究柔性叶片振动对气动载荷影响。结果表明,叶片达到一定长度后,模拟风力机气弹响应问题时,其振动影响不可忽略。     

风力机叶片挥舞/摆振的动力失速非线性气弹稳定性研究

研究动力失速风力机叶片的非线性气弹系统的稳定性。叶片结构采用具有挥舞/摆振耦合的典型截面模型,动力失速非线性气动载荷的计算采用基于半经验的ONERA非定常、非线性气动模型。为了减少由于线性化气弹稳定性分析模型带来的误差,直接采用时间域数值积分法,对叶片挥舞/摆振耦合非线性气弹方程组进行数值积分,研究叶片动力失速诱发颤振的稳定性,分析了缩减速度、预尖锥角的影响,并且针对目前文献很少报道的结构阻尼参数的影响问题进行了研究。     

2×1500m双主跨斜拉桥静风失稳机理研究

静风稳定性是千米级超大跨斜拉桥抗风性能的主要考验之一。以某主跨2×1 500 m三塔两跨斜拉桥结构体系为研究对象,采用全桥气弹模型风洞试验与数值计算相结合的方法,对失稳过程结构位移响应和与之同步的拉索索力进行跟踪,从失稳过程结构刚度演变特性方面深入揭示了该结构体系静风失稳机理。风洞试验发现,结构在+3°和0°初始风攻角下出现了明显的静风失稳前兆,静风失稳先于颤振失稳发生。基于增量与内外两重迭代相结合的非线性静风稳定分析方法,研究了结构失稳过程结构位移响应演变特性,并与风洞试验结果进行了对比,表明二者具有较好的吻合性。-3°初始攻角下的静风失稳临界风速远高于+3°和0°初始攻角。为了揭示上述现象发生的内在机理,提取与结构位移同步的拉索索力,阐述了失稳过程结构刚度与结构响应之间的同步演变关系,研究表明:结构静风稳定性取决于失稳过程结构刚度演变特性,而后者与结构响应密切相关。-3°初始攻角下主梁整体向下的竖向位移强化了拉索、主梁和桥塔形成的稳定三角关系,这是该初始攻角下静风稳定性远优于+3°和0°初始攻角的最根本原因。-3°初始攻角时,结构失稳形态表现为明显的主梁一阶正对称扭转与主梁一阶反对称扭转耦合振型失稳,与单主跨斜拉桥明显不同。研究首次在风洞试验中再现了双主跨大跨度斜拉桥静风失稳现象,并揭示了大跨度斜拉桥静风失稳内在机理,对今后我国超大跨径斜拉桥的抗风设计具有借鉴意义。     

带高防抛网边主梁斜拉桥气动性能试验研究EI北大核心CSCD

为研究带高防抛网边主梁斜拉桥的气动稳定性能,以某跨铁路站场边主梁斜拉桥为工程背景,通过节段模型及气弹模型风洞试验综合研究了带高防抛网边主梁斜拉桥的气动稳定性能,并确定了其合理的气动优化措施。利用1∶50比例节段模型风洞试验,测试了各个攻角下主梁的风振响应;在低紊流度流场条件下,通过改变防抛网透风率,对主梁的涡振性能进行优化。设计并制作1∶100比例气弹模型,在不同地表风场类型中进行了风洞试验测试,研究了不同攻角及偏角下全桥气弹模型的涡振性能。风洞试验结果表明:均匀流场中,设置60%透风率的防抛网的节段模型与气弹模型,在最不利3°攻角下,仍发生超过规范限值的竖向涡振。节段模型试验中,在5%紊流风场条件下,主梁断面设置60%透风率的防抛网可以有效抑制涡振,且考虑三维效应的全桥气弹模型与节段模型试验结果相同,无涡振现象发生。     

水平轴风力机叶片的弯扭耦合气弹稳定性研究

研究水平轴风力机叶片的经典颤振稳定性特性。在导出质量刚度均匀分布的旋转挥舞/摆振/扭转叶片的耦合振动偏微分方程组基础上,引入扩展的Theodorsen模型描述非定常气动力的作用。联合采用Galerkin法、特征值法和时间域积分法对所建立的叶片气弹模型进行求解。通过数值分析获得叶片的挥舞弯曲模态、摆振弯曲模态和扭转模态的根轨迹曲线,分析了叶片面内刚度、扭转刚度和预锥角对叶片气弹稳定性的影响。特征值法稳定性的计算结果的精确度和可靠性通过分析模态展开式中模态截断个数N对颤振边界收敛性的影响,得到验证。稳定性分析的时间域数值积分结果的一致性进一步说明特征值法稳定性计算结果正确性。     

风力机翼型在复合运动下的动态失速数值分析

现代大型风力机在工作时叶片经历大变形与振动,将会对其周围的动态流场产生影响,从而导致气动力的改变。因此有必要深入研究风力机翼型在复合运动情况下的动态失速气动特性,以正确预测大型风力机运行时的载荷。该文应用计算流体力学方法,对S809翼型在不同运动形式下的动态失速特性进行了二维数值分析。首先对翼型在作俯仰运动下的轻失速和深失速情况分别结合S-A、SST k-ω和RSM三种湍流模型进行了动态失速数值模拟,结果表明S-A、SST k-ω和RSM三种湍流模型都能有效地计算出翼型的气动力。然后采用SST k-ω模型仿真了翼型在挥舞运动、俯仰摆振耦合运动下的动态失速气动特性,并与相同工况条件下翼型作俯仰运动时的气动特性进行了对比分析。发现翼型在挥舞运动下的动态失速虽然弱于俯仰运动,但其强度不容忽视;而翼型在作俯仰与摆振耦合运动时比单纯作俯仰运动时的失速程度更深。因此在风力机设计阶段为获得保守的气动载荷预测,有必要将叶片截面在挥舞与摆振方向的运动转换成等效攻角,叠加在主攻角上进行动态失速气动力计算。     

预应力装配式风机叶片连接段结构模拟分析

随着风力发电机功率提高,其叶片越来越长,叶片的运输难度和风险增大,成本增高,特别是在山区风场建设中愈发明显。将长叶片分段制造、运输并现场组装是解决此问题的有效途径。该文提出了一种全新的基于高强预应力螺栓连接的装配式风力发电机叶片结构方案。以某兆瓦级玻璃纤维叶片为对象,确定了在离叶根16 m处进行分段时的预应力连接结构方案,利用大型有限元分析软件ABAQUS建立了连接段的精细化有限元模型,对模型在预应力以及挥舞和摆振方向4种设计荷载作用下的应力进行了分析。结果表明:在4种工况下的叶片玻璃纤维材料以及预应力连接螺栓强度均满足要求,验证了该文所提出的基于高强预应力螺栓连接的装配式风机叶片结构方案可行,该研究为解决传统风力发电机叶片的运输难题提供具有应用前景的新方法。     

Structural collapse of a wind turbine blade. Part A: Static test and equivalent single layered models

The overall objective is a top-down approach to structural instability phenomena in wind turbine blades, which is used to identify the physics governing the ultimate strength of a generic wind turbine blade under a flap-wise static test. The work is concerned with the actual testing and the adoption of a phenomenological approach, and a discussion is conducted to assess and evaluate the wind turbine blade response during loading and after collapse by correlating experimental findings with numerical model predictions. The ultimate strength of the blade studied is governed by instability phenomena in the form of delamination and buckling. Interaction between both instability phenomena occurs causing a progressive collapse of the blade structure.     

Modeling Smart Structure of Wind Turbine Blade

With the increasing size of wind turbine blades, the need for more sophisticated load control techniques has induced the interest for aerodynamic control systems with build-in intelligence on the blades. The paper aims to provide a way for modeling the adaptive wind turbine blades and analyze its ability for vibration suppress. It consists of the modeling of the adaptive wind turbine blades with the wire of piezoelectric material embedded in blade matrix, and smart sandwich structure of wind turbine blade. By using this model, an active vibration method which effectively suppresses the vibrations of the smart blade is designed.     

考虑叶片离心刚化效应的风力机塔架风振反应分析

为分析风轮作用力和叶片刚化对风力机塔架风振反应的影响,研究了考虑叶片刚化效应时风力机塔架的风振反应。采用谐波叠加法模拟了风力机塔架和叶片的脉动风速时程,在理论上推导了考虑离心刚化效应的叶片振动方程。该文分3种工况计算了叶片与塔架在风荷载作用下的动力反应,并对比了3种工况的塔架顶点位移及其相对误差。结果分析表明:叶片剪力对塔架的动力反应影响较大,叶片刚化效应减小了塔架的风振反应,在动力计算过程中应考虑刚化效应的影响。     

中小尺度嵌套下考虑停机位置的大型风力机体系风振响应分析

国内外风工程界采用的风力机体系风效应分析方法通常基于良态气候模式,而台风边界层风特性不同于良态气候模式,台风作用过程中会表现出明显的时空变异性和多尺度涡结构。针对现存土木工程台风模型理论体系过度简化的问题,引入考虑真实台风场强变异性和衰减效应的中尺度天气预报模式(WRF)对“鹦鹉”台风进行高时空分辨率模拟,重点对比台风登陆前、登陆时和登陆后台风风向和风强特征,并结合模拟台风中心路径与实测路径的对比结果验证了中尺度台风“鹦鹉”模拟的有效性。以中国东南沿海地区某风电厂5 MW水平轴风力机为对象,基于WRF模拟获得近地面三维风场数据,并结合小尺度CFD大涡模拟技术分别对叶片单个旋转周期不同停机位置工况进行三维非定常数值模拟。在此基础上,结合有限元完全瞬态法对不同停机工况进行了风振响应动力时程分析,提炼出停机位置对体系风振响应和风振系数的影响规律,最终归纳总结了台风作用下大型风力机体系最不利停机位置。结果表明:采用WRF模式可以有效模拟近地面台风风场,拟合的台风剖面指数为0.076;台风下塔架内力和风振系数显著增大,尤其是与塔架相对位置最近的叶片风振响应最为不利,内力最大增幅达35%。分析发现:当台风作用下大型风力机处于停机状态,下叶片与塔架完全重合(工况1)时为最不利,旋转至上叶片完全重合(工况5)时安全余度最大。     

Non-linear dynamic analysis of a wind turbine blade

ABSTRACT

Wind turbine blades’ dynamic behavior must be well investigated during the design process in order to avoid resonance. Modal analysis and nonlinear dynamic analysis of a rotating wind turbine blade are presented in this paper to study the effects of rotation speed on the natural frequencies and displacements. Accordingly, an enhanced finite element formulation based on uncoupled translational and rotational displacements’ kinetic energy was developed. A twisted wind turbine blade was discretized using beam elements with different cross sections; each has six degrees of freedom per node. At rest, the model results were validated using ABAQUS software. Furthermore, the effects of geometrically non-linear phenomena produced by blade displacement on the vibration characteristics of the rotating blade have been discussed. The blade non-linear problem was solved by applying the Newmark method combined with the Newton-Raphson schema. Results show that the blade natural frequencies and displacements increase under angular rotation speed augmentation. This work highlights the significant sensitivity of the blade vibration characteristics to the geometric non-linearity. Accordingly, a modal and a linear analysis are insufficient to precisely estimate the dynamic behavior of a rotating turbine blade.     

考虑叶片旋转效应的风力发电塔架结构风-震耦合响应分析EI北大核心CSCD

中国风电场大多不可避免的建于地震频发地段,在风荷载作用下风机正常工作时发生地震是一概率极大的事件。因此,该文以西北地区某2.5 MW风力发电机为原型,对考虑叶片旋转效应的风电塔架结构在风-震耦合作用下的响应展开研究。利用谐波叠加法生成考虑叶片与塔筒的空间相干性的模拟脉动风速时程;基于叶素动量理论,计算考虑叶片旋转效应的叶轮载荷,并采用尾流模型计算塔筒尾流区塔筒面的载荷;基于有限元软件ABAQUS建立考虑叶片及机舱偏心的集中质量有限元模型并对风力发电塔筒结构在风-震耦合作用下的响应进行分析;探讨了地震输入时刻对于风-震耦合作用下风电塔筒响应的影响。研究结果表明:叶轮旋转效应及尾流对于风荷载的计算影响较大;风-震耦合作用可能使塔顶位移较风荷载单独作用下的小,基底应力接近地震单独作用下的基底应力值;地震动输入时刻对风-震耦合分析有较大影响,建议在设计时予以考虑。