基于实测风场的沿海风力机叶片流固耦合特性分析

采用无人机测风手段实测获得某沿海风电场的风场特征,将所测量的风场参数应用到后续数值模拟中。以某2 MW风力机叶片全尺寸模型为研究对象,基于Workbench平台建立流固耦合系统进行计算,通过对比近尾流风速分布的数值模拟结果与实测结果来验证数值计算的准确性,进而计算额定风速下旋转叶片的挥舞变形和等效应力等响应。结果表明：风力机叶片的挥舞变形在0°方位角时最大,最大变形为1916.4 mm,接近静力加载试验最大挥舞工况结果 2299 mm;相同方位角下的挥舞变形沿着叶片展向呈非线性增大,0.60倍风轮半径处变形增长速度明显提高。叶片等效应力集中区位于大梁和前缘侧交界处,最大值出现在60°方位角下0.78倍风轮半径处,同时在风轮高度方向上呈非对称分布。     

基于流固耦合的风力机叶片模拟分析

文章选取风轮直径为2 m的水平轴风力机为研究对象,采用数值模拟计算的方法研究叶片在不同工况下的位移及应力/应变。研究结果表明:气动载荷使叶片产生挥舞方向的变形,且在展向上有较大幅度的位移;随着风轮转速的增加,叶片的位移有明显的增加,沿弦向前缘压力大于后缘的压力,沿展向叶根处变形要小于叶尖。     

基于流固耦合的风力机模态分析

风力机大型化的发展趋势对风力机自身动力学特性的要求越来越高,开展风力机模态分析对于风力机的设计至关重要。文章采用k-ωSST紊流模型和滑移网格技术,对美国国家可再生能源实验室5 MW海上风力机进行了流固耦合模态分析。结果表明,旋转风轮中各叶片变形相互影响,并与轮毂的弹性变形成为一个耦合系统,其固有频率相对于单叶片有较大幅度降低;动力刚化效应使得叶片的固有模态频率增加;考虑风轮的流固耦合效应时,风轮的自振频率要比不考虑流固耦合效应时低;整机在流固耦合作用下一阶模态值大于旋转频率,大于波浪的频率,不会发生共振。     

基于气动弹性理论的风力机叶片耦合分析

针对风力机叶片,建立其结构动力学方程,推导分析了叶片旋转所产生的振动速度及其对来流的影响。基于BEM(Blade Element Momentum)理论,在风力机空气动力学基础上,建立了风力机的气动耦合分析模型。应用该模型,对某2MW风力机进行了计算分析,得到了叶片在额定工作风速下的振动变形、速度、加速度以及叶片沿展向的变形和载荷分布。充分考虑叶片的结构振动特性与来流风速的耦合效应,使得风力机空气动力学特性模型更加准确,对于风力机的设计和分析具有重要意义。     

汽轮机末级转子叶片流固耦合计算

对于大展弦比的叶片,流场与结构的相互作用不可忽略。本文利用商业软件CFX和ANSYS对某汽轮机末级转子叶片进行了设计和非设计状态下的流固耦合计算,对两种状态下耦合前后的流场结果进行了对比分析,叶片结构计算采用了双向与单向两种耦合方式。结果表明,非设计状态下流场对结构变形具有更强的敏感性;在稳态载荷作用下,两种耦合方式下的叶片位移、应力值差别不大。     

基于ALE的汽轮机低压叶片流固耦合数值模拟

采用ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)方法对汽轮机低压叶片与流场之间相互作用下的应力、位移进行了数值模拟,通过计算获得了流场、压力及叶片位移分布,得到应力及叶片位移随时间的变化关系,流体产生的压力波引发了叶片的振动,最大应力发生在叶片根部,最大应力值和最大周向位移随转数增加.模拟结果可对改进叶片性能及叶片材料选择提供相应参考.     

兆瓦级海上风力机叶片设计及模态分析

叶片是风力机的重要构件,对其合理设计十分重要。总结了叶片的设计流程,并选择合理的设计参数,设计出兆瓦级风力机的叶片;在三维绘图软件中建模;应用有限元法,选定叶片的材料参数,在有限元软件中对叶片进行模态分析,确定了叶片的各阶模态振型及各阶频率,并对比分析叶片各阶模态振型结果。结果表明,叶片的固有频率范围与外界的激励的频率范围不重合,因此避免了共振破坏的发生。     

风力机叶片模态的实验分析研究

分析了风力机叶片模态实验的约束条件、边界条件、传感器质量及测试点分布等因素对叶片频率识别和测量值及其误差的影响,改进了对风力机叶片模态实验方案,提高了实验精度,有效降低了误差,得到了比较理想的模态参数识别结果,为相关实验的合理设计提供指导,同时为研究附加质量对小型风力机叶片振动性能的影响提供一种思路.     

大型风力机尾迹双向流固耦合特性分析

风力机尾迹区域的流场特征对风电场的优化布置具有重要意义。文章基于流固耦合理论,采用ANSYS+FLUENT方法和滑移网格技术对NREL 5 MW风力机的尾迹特性进行了系统分析。结果表明:在风力机近尾迹区流固耦合情况下风力机的输出功率和轴向推力更接近NREL设计值;在远尾迹区、双向流固耦合情况下,轴向速度更早地在风力机下游6倍风轮直径X=6D处达到来流速度,而湍流强度也提前在X=2D处出现拐点开始下降,在X=6D处达到9.8%,流场进入低湍流度区,从而得到了风力机合理布置方面的重要结论,这将对风力机合理布置和风电场经济性的提高提供一定的参考。     

基于叶片变形偏航下风力机叶片绕流流场的研究

针对偏航工况下风力机叶片与流场之间的相互作用而产生的变形影响叶片绕流流场问题,基于叶片变形对不同偏航工况下水平轴风力机叶片绕流流场进行双向流固耦合数值计算,分析偏航工况对风力机叶片变形和表面应力的影响,在此基础上研究不同偏航工况对叶片绕流流场的影响.结果表明,不同叶片上的变形和应力呈现不均匀性,且随偏航角增大,不均匀性...     

考虑塔架和叶片动力耦合的随机风载下风机结构动响应分析

考虑叶片和塔架的动力耦合作用,建立了5 MW风机整体结构的有限元模型,计算其在随机风速下的动响应。为分析叶片和塔架的动力耦合对风机结构动响应的影响,计算比较了刚性支撑的叶片、简化的风机和整体风机3种模型在风载下的动响应位移和应力。计算结果表明:由于叶片和塔架的耦合作用,叶片的位移响应最大增加约20%,但是塔架的位移响应最大降低了约60%。文章还分析了叶片旋转过程中方位角对塔架位移响应的影响。在叶片的一个旋转周期内,塔架的响应幅值会有较大的波动,最大响应幅值约为最小响应幅值的3倍。     

基于流固耦合的风力机塔筒动态特性分析

塔筒动态特性分析对风力发电机的振动设计起着关键作用。文章以1.5 MW风力发电机塔筒为研究对象,将叶片旋转和随机风载荷作为载荷输入条件,建立风力机塔筒叶片旋转载荷模型、流固耦合风载荷模型、结构动力学方程,分析计算得到随机载荷下叶片旋转和风载共同作用时,风力机塔筒动态特性评估方法。     

随机风载荷下大型风力机叶片/机舱/塔架耦合动力学分析

由于风力机叶片所受风力来流的随机性和风力机结构的复杂性,大型风力机在随机风载荷下的动力学行为分析一直是风电行业急需解决的难题之一。利用MATLAB/Simulink对随机风速进行了模拟,通过柔性多体动力学方法建立了符合实际的风力机叶片/机舱/塔架耦合动力学方程。在随机风载荷下对目前国内1.5 MW主流风力机的叶片、塔架的动力学行为进行了实例分析,得到了10 min时序随机风载下的叶片挥舞位移、速度历程和塔架的位移、速度历程。分析结果表明,在随机风载下,风力机启动时叶片、塔架振动较为剧烈,随时间的增加叶片、塔架振动幅度逐渐减小,振动速度也呈减小趋势。该研究结果为我国风力机设计理论的完善和工程实践奠定了一定的基础。     

Detection of icing on wind turbine blades by means of vibration and power curve analysis

Ice accretion on wind turbines' blades is one of the main challenges of systems installed in cold climate locations, resulting in power performance deterioration and excessive nacelle oscillation. In this work, consistent detection of icing events is achieved utilizing indications from the nacelle accelerometers and power performance analysis. Features extracted from these two techniques serve as inputs in a decision‐making scheme, allowing early activation of de‐icing systems or shut down of the wind turbine. An additional parameter is the month of operation, assuring consistent outcomes in both winter and summer seasons. The amplitude of lateral nacelle vibration at rotor speed is the used condition indicator from vibration standpoint, which is verified by the presence of sinusoidal shape in high‐resolution time waveforms. Employment of k‐nearest neighbour on wind speed ‐ power production data sets leads to successful recognition of power performance deterioration. Results from one wind park consisting of 13 turbines operating under icing are presented, where similar patterns on both vibration and power curve data validate the effectiveness of the proposed approach on the reliable detection of icing formation. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

Dynamic analysis tool development for swept wind turbine blades

Because of their aeroelastic behavior, swept wind turbine blades offer the potential to increase energy capture and lower fatigue loads. This article describes work to develop a dynamic analysis code for swept wind turbine blades. This work was an outgrowth of a U.S. Department of Energy contract on swept blades, where the authors used the Adams? dynamic software (MSC Software Corporation, Santa Ana, CA, USA). The new code is based on the National Renewable Energy Laboratory's FAST code and allows for lower cost analysis and faster computation times for swept blades. The additions to the FAST code include the geometry and mode shapes required for the bending and twisting motion of the swept blade. In addition, a finite element program to determine mode shapes for the swept blade was developed. Comparisons of results obtained with the new code and analytical solutions for a curved cantilever beam show good agreement in local torsional deflections. Comparisons with field data obtained for a 750 kW wind turbine with swept blades were complicated by uncertainties in the test wind speed and turbine controller settings.Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

主振动与内振动联合作用下大型风电机组塔架-叶片耦合结构动力学分析

考虑大型风电机组塔架叶片耦合结构主振动与内振动联合作用,针对该结构的动力学响应,利用有限元软件Solidworks建立三维结构动力学模型,结合振动的位移-应变关系及势能理论,对其进行模态分析,重点分析在脉动风载荷作用下的动力响应情况。结果表明,大型风电机组塔架-叶片耦合结构正进动最大振幅为0.12 m,振幅随着载荷的增大而逐渐增加,反进动出现间歇性振荡。塔顶相位差没有出现急剧变化现象,均值为30 rad,能够消除同步运转带来的固定相位差。塔顶水平位移变化幅度较小,最大水平位移为0.55 m。该结果为大型风电机组运转过程中振动及脉动风载荷作用下的状态监测提供参考。     

基于双向流固耦合的海上风力发电塔架风致响应特性分析

针对海上风力发电塔架风致响应特性,利用有限元分析软件Solidworks建立塔架叶片耦合结构模型进行模态分析,分析各个振型形成的原因及影响。结合Davenport脉动风速谱,利用双向流固耦合法,对塔架叶片耦合结构进行动力学参数变化分析,并在耦合结构作用下,对塔架及叶片进行位移变化分析。结果表明:耦合结构的第一阶振型为叶片前后弯曲,塔架无明显变化;耦合结构的第二阶振型为叶片垂直摆振,与扭转变形相耦合,塔架最大水平位移为0.58 m,塔架的水平位移无规则变化,变化幅度较大;耦合结构的第三阶振型为叶片俯仰挥舞,与叶片弯曲振型相耦合;塔架叶片耦合后的叶尖位移偏移量呈脉动性变化,塔架的惯性矩较小。该结果为海上风力发电塔架运行过程中动力学参数的变化及状态监测提供参考。     

大型恒频变速风力发电机组桨叶的建模与动态特性分析

通过计算桨叶的弯曲频率和扭转频率,采用ANSYS大型有限元软件对大型恒频变速风力发电机组桨叶进行建模,同时分析该桨叶动态特性的优缺点,并分析影响桨叶建模和动态特性的主要因素,对计算值和测量值的误差进行比较,同时对桨叶的振型进行分析,为今后更深入地研究大型恒频变速风电机组桨叶特性奠定了良好的理论基础。     

Fracture analysis of adhesive joints in wind turbine blades

Modern wind turbine rotor blades are usually made from fibre‐reinforced composite subcomponents. In the final assembly stage, these subcomponents are bonded together by several adhesive joints. One important adhesive joint is situated at the trailing edge, which refers to the downstream edge where the air‐flow rejoins and leaves the blade. Maintenance inspections of wind turbine rotor blades show that among other forms of damage, local debonding of the shells along the trailing edge is a frequent failure type. The cause of trailing edge failure in wind turbine blades is complex, and detailed information is scarce. This paper is concerned with the fracture analysis of adhesive joints in general, with a particular focus on trailing edges. For that, the energy release rates in prescribed cracks present in the bond line of a generic trailing edge joint are investigated. In connection with this examination, the paper elucidates the influence of geometrical non‐linearity in form of local buckling on both the increase of the energy release rate and the change of mode mixity. First, experimental results on adhesively bonded small‐scale subcomponents are presented. Thereafter, a practical approach is presented, which links the experimental results conducted on a small scale to the numerical failure prediction of large‐scale models. The proposed method is based on the virtual crack closure technique and defines the mode mixity at bimaterial interfaces unambiguously. The method is consequently applied to a wind turbine blade submodel in order to predict crack growth in the trailing edge. Thereby, the influence of different crack lengths on crack initiation and propagation is considered. The paper concludes with general thoughts on adhesively bonded trailing edge joints regarding the prevention of local debonding. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.