风力机叶片气热除冰效率影响因素分析

为分析风力机叶片气热除水效率的影响因素，基于气热法对风力机叶片除冰效果进行试验分析，重点考虑铺层结构的导热效率和鼓风机速度(或频率)对除冰效率的影响。首先对叶片构造和铺层结构进行介绍，通过对铺层结构厚度测量估算导热系数，根据冬季叶片覆冰位置，验证气热除冰时叶片导热分布合理性。之后通过改变鼓风机速度(或频率)进行现场叶片除冰试验。试验结果揭示了气热除冰系统在对风力机叶片除冰过程中出现的除冰不均衡现象的根本原因，表明在保证通风管出风口温度稳定的前提下，鼓风机速度(或频率)越高，叶片表面除冰均衡性越好，除冰效果越显著。此外，在使用更大鼓风机频率的同时增强叶片内部环流，合理设置叶片内部环流结构可有效提高除冰效率并减小除冰耗时。研究结果可为工程实践提供指导。     

基于电加热法的自控型防冰除冰叶片结构研究

基于对风力机叶片表面覆冰的条件、影响因素、结冰位置等方面的分析研究,本文提出了一种基于电加热法的自控型防冰除冰叶片结构。该结构通过采集风力机周边的结冰因子状态参数,由监控系统和控制系统组成的激发控制器自动启动或关闭风力机防冰除冰加热装置,以实现对叶片防冰或除冰。从而解决结冰期风力机发电稳定性问题,使结冰期真正成为风力发电的高产季节,提高风力发电厂的经济效益和社会效益。     

2 MW风电机组叶片防除冰试验与能耗评估

文章针对凝冻积冰环境下风电机组叶片气热法防除冰技术展开现场试验,验证其防除冰效果及加热能耗。首先,分析了叶片表面结冰复杂过程并模拟计算NACA64618翼型表面积冰分布;然后,结合2 MW风电机组构建叶片主动气热法防除冰系统并实施现场示范工程;最后,开展了风电机组叶片静态除冰试验、防冰试验及防冰生产运行试验,辅助全景红外热成像检测分析叶片防除冰效果及加热能耗。试验结果表明,在冰厚为30 mm并控制加热温度为50℃的前提下,持续加热2 h后叶片表面开始融冰脱落,加热能耗功率不足50 kW。可为风电机组叶片气热法防除冰的工程应用系统设计提供参考。     

2 MW风机叶片气热法防除冰的传热试验研究

在凝冻地区风电场采用气热法进行风机叶片防除冰工程应用时,叶片传热试验至关重要。文章针对现场2 MW风机叶片,结合叶片重点结冰区域分布,设计研发叶片传热试验系统并实施9 h传热试验。试验采用12支温度传感器和红外热成像技术监测记录叶片温度,并分析叶片传热过程及传热效果。传热试验结果表明,在叶片前缘通道内施加30 kW加热器持续加热叶片本体,无日照时叶片前缘外表面15 m处温度为39.4℃,40 m处温度为25.3℃,温升在10℃以上,且分别沿叶尖和后缘两侧方向呈现递减分布。验证了利用气热法对该复合材料叶片进行防除冰,在理论上和技术上是可行的。     

风力机叶片前缘单排孔射流成膜特性研究

针对寒冷气候条件下大型垂直轴风力机叶片翼型前缘结冰问题,提出一种新的叶片防冰、除冰方法 -气膜加热法。通过在风力机叶片翼型前缘开设气膜孔,并对三维静叶片进行数值模拟研究,观察其成膜情况,从而确定孔径和孔间距大小。将设置好孔径、孔间距的三维风轮进行变工况非稳态数值模拟,通过分析三维风轮气动特性,确定最佳运行工况,并观察该工况下不同时刻叶片表面成膜情况。最后,运用相似理论,对按同比例缩小的原型机进行试验分析,将模拟结果与试验研究进行对比,发现两者平均转矩随尖速比变化趋势基本一致。说明开孔翼型不但能起到很好的防冰、除冰作用,而且适当开孔后叶片气动性能变化不大。     

叶片附着物对直线翼垂直轴风力机性能影响的风洞试验

直线翼垂直轴风力机是一种升力型风力机,多被作为离网型风能利用装置。在寒冷地区的冬季,风力机叶片表面结冰、积雪以及附着其他物质会影响风力机的性能。文章介绍了采用粘土作为附着物模拟叶片表面前缘结冰的风洞试验,研究了叶表附着物对风力机的转速和输出功率性能的影响。     

风力机桨叶超声波除冰实验技术研究及其应用

利用人工环境实验室、模态分析系统、自行设计的两套超声波除冰设备和嵌有压电陶瓷片的风力机桨叶建立风力机桨叶超声波除冰实验台,对不同覆冰状态下的桨叶进行了模态分析,从桨叶的曲率模态参数中提取风力机桨叶覆冰区域与覆冰厚度参数,并利用压电陶瓷片产生的超声波横向剪切应力给风力机桨叶除冰。实验表明,根据所获得的覆冰区域与覆冰厚度参数能较准确地诊断风力机桨叶覆冰状态,超声波除冰技术适用于风力机覆冰桨叶。通过对实验数据分析,提出了除冰时间与覆冰厚度、除冰能耗与覆冰温度和除冰能耗与覆冰厚度之间的定量关系式,为设计超声波桨叶除冰系统提供实验依据。     

风力机叶片动力特性实验台设计

设计开发了一种风力机叶片动力学特性实验台,可以进行风力机叶片的静载荷实验、模态测试、叶片损伤测试、模拟桨叶结冰附着物载荷实验、桨叶疲劳载荷实验以及破坏性实验等。介绍了实验台的设备组成、结构特点以及该实验台的主要功能,在实验台上进行了风力机叶片的静态载荷实验和模态测试,得出了实验用风力机叶片的六阶模态参数,利用MAC、MOV两种模态判定准则对试验结果进行了验证。     

水平轴风力机叶片翼型结冰的数值模拟

通过计算流体力学(CFD)的方法对水平轴风力机桨叶翼型的霜状积冰进行了数值模拟。模拟采用四阶龙格-库塔法求解水滴运动轨迹,假定水滴在与叶片相碰撞的点处完全凝结,并且冰沿着翼型表面法向方向增长,通过模拟得到了某风力机厂家提供翼型在不同时间段叶片表面结冰后形成的冰形,同时利用FLUENT软件模拟了风力机叶片翼型周围流场的变化,并与结冰前该翼型的气动性能进行了对比。研究结果表明与干净翼型相比,在模拟气象条件下的结冰翼型的最大升力系数大约减少了27%,阻力系数增加了约38%,失速攻角降低了4°。根据模拟可以认为,结冰后翼型提前进入失速区是造成桨叶气动性能恶化的主要原因。     

垂直轴风力机叶片翼型结冰的数值计算

为研究寒冷气候条件对直线翼垂直轴风力机叶片表面结冰的影响,对该种风力机叶片常用的NACA0015翼型进行了翼型结冰的数值模拟计算.计算基于二维定常不可压缩流体的N-S方程,并引入离散相模型DPM.参照实际风力机野外工作环境参数,通过改变风速和空气中水滴流量等条件,计算了在8种典型攻角下的翼型表面结冰分布情况.结果表明:气流中所含的过冷水滴量和风速是影响风力机翼型表面结冰的关键因素;风速较低时,水滴流量的影响占主导作用;翼型攻角不同,其表面结冰的厚度、面积和生长趋势不同.在一定攻角范围内,翼型表面的结冰面积随翼型迎风面积、风速和空气中水滴流量的增加而增大.在一定条件下,结冰面积可达到翼型面积的30%以上.     

水平轴风力机结冰及其影响计算分析

针对过冷水滴在风力机表面撞击结冰现象,建立适合于计算水平轴风力机结冰过程的三维数值方法。该方法包括计算空气流场的多参考坐标系(MRF)方法、结冰面水滴收集率计算的欧拉方法以及结冰的三维模型及其相应的数值求解算法3部分。采用该方法对某1.5 MW级水平轴风力机结冰进行计算,总结结冰的基本特征,分析结冰对风力机气动特性的影响。研究表明:冰主要结在叶片前缘,从叶尖到叶根,冰越来越薄;轮毂、叶片根部及其附近区域、结冰很微弱,可忽略;在叶尖结明冰的条件下,随着展向位置向叶根移动,冰的外形会逐渐趋向规则,明冰向霜冰转变;结冰对叶片根部附近的压力载荷分布影响不大,但对叶尖附近区域的载荷改变明显。     

风力机叶片动态气弹变形及其对整机性能的影响

基于风力机整机刚柔耦合模型,文章提出了一种叶片动态气弹扭转变形分析的新方法。该方法采用SIMPACK和AeroDyn软件联合数值仿真对风力机在几种恶劣风况下进行动力学分析,通过对分析结果的变换处理,进而得到叶片在复杂工况下的动态气弹变形数据。采用该方法,重点分析了叶片气弹扭转变形对风力机气动功率及气弹稳定性的影响。该方法为大型风电叶片的气弹特性评价以及气弹剪裁设计提供了一种新的技术手段。     

风电机组叶片结冰的光纤感知及厚度分布估计

分析光纤感知叶片结冰厚度的检测原理并设计四通道双窗口专用结冰探测器，采用模拟计算并分析不同攻角和水滴粒径下叶片水滴收集率分布，借助风电机组所在空气流场构建风电机组机舱顶部结冰探测器与叶片间运行环境结冰信息的内在关联，进而实现叶片表面结冰厚度检测及分布估计并在风场风电机组进行结冰实测验证，结果表明叶片表面结冰状态呈现前缘结冰最厚且沿叶尖方向逐渐增加的分布特征，探测器检测值与实测值偏差在8%内，可满足风电机组叶片防除冰的工程应用需求。     

复合材料叶片截面刚度对风力机叶片气弹响应的敏感性研究

为更深入考查叶片刚度对风力机气弹响应的影响，对叶片截面的刚度矩阵中的主对角线刚度系数在稳态风和湍流风况下的风力机气弹响应的影响以及敏感性进行系统研究。气弹模型中的气动模块采用基于叶素动量理论，并采用几何精确梁理论对叶片的结构动力学响应进行仿真。选用美国可再生能源实验室（NREL）5 MW风力机组作为基准模型，调整叶片各截面刚度矩阵的主对角线刚度系数，利用敏感性影响因子评估刚度系数变化对叶片载荷的影响。结果表明：主对角线上挥舞方向的剪切刚度、挥舞弯曲刚度、摆振弯曲刚度、扭转刚度对气弹响应具有中高的敏感性。研究结果对掌握风力机气弹响应规律，发掘更深层次的风力机叶片设计方法提供了一定的指导意义。该方法能进一步扩展至研究叶片刚度对风力机机组气弹响应的敏感性研究。     

基于整机刚柔耦合的风力机叶片气弹稳定性分析

为了研究弯扭柔性叶片在实际工况下的气弹变形及气弹稳定性问题,文章以某2 MW低风速风力机为对象,基于SIMPACK通用软件,构建了风力机整机刚柔耦合多体动力学气-弹-控联合仿真模型。文章提出了可定量分析叶尖截面失速特性的新方法,在控制系统正常和控制系统失效两种工况下对叶片的气弹稳定性进行了时域和频域分析。在湍流风况下,对叶片的气弹变形进行了计算分析,通过与GH Bladed软件的分析结果进行对比,验证了风力机气弹动力学模型和气弹分析方法的正确性。基于整机刚柔耦合提出的风力机叶片气弹稳定性分析方法有利于解决风力机大型高效与轻量可靠之间的矛盾。     

智能叶片风力机建模及多目标尾缘襟翼控制

为了研究尾缘襟翼在风力机主动降载和功率控制方面的效果,以NREL 5 MW参考风力机为研究对象,在每个叶片上增加了2段独立的尾缘襟翼。首先,建立了智能叶片风力机气动、传动链以及发电机模型,进而在Matlab/Simulink中搭建了带有尾缘襟翼的智能叶片风力机模型,并在不同风况下使用FAST气弹仿真平台对所建模型进行对比验证,最后在智能叶片风力机模型基础上设计了多目标多襟翼控制。结果表明:与FAST气弹仿真平台相比,智能叶片风力机模型各项参数偏差均小于10%,精度较高;在多目标多襟翼控制作用下,风力机的叶根挥舞弯矩在1P频率处的功率谱密度减少了89.73%,发电机功率标准差减少了75.07%。     

基于WD-LSTM的风电机组叶片结冰状态评测

为有效识别叶片结冰状态,尽早采取除冰措施,提出基于小波去噪的长短期记忆神经网络（WD-LSTM）的评测方法。首先基于过采样与欠采样相结合的方法解决SCADA系统数据中的类别不平衡问题,通过对叶片结冰相关的26项指标进行分析,并从结冰机理和数据探索的角度筛选特征量,小波去噪处理后建立WD-LSTM模型,进一步完成模型的训练和测试。分别以15号和21号风电机组为例进行模型验证,通过与LSTM、概率神经网络（PNN）模型和BP神经网络模型进行对比。结果表明,WD-LSTM方法在风电机组叶片结冰评测中的准确率可达98%,优于其他方法。     

基于热红外图像的风力机叶片损伤识别方法研究

针对风力发电机叶片损伤人工检测效率低,受作业人员业务水平制约等因素影响大的问题,提出一种基于热红外图像的风力机叶片损伤识别以及损伤位置判定和损伤大小计算的方法,通过数字图像处理技术在Matlab 2019b平台开发实现.对附有人工损伤的风力机叶片热红外图像采用对比度拉伸、Gabor滤波、二值化阈值分割等方法提取损伤特征...     

预弯外形对风力机叶片气弹稳定性的影响

为了研究预弯外形对风力机气弹稳定性的影响,以某2 MW低风速风电叶片为研究对象,采用外形参数化表达方法构造叶尖预弯量分别为3、4和5 m的叶片.基于SIMPACK软件建立并验证气-弹-控耦合的风力机整机模型,对配装不同预弯叶片的风力机进行仿真分析.结果显示,在湍流风况下,随着叶尖预弯量的增大,叶根载荷、叶尖附近截面的气...     

基于ONERA模型的柔性叶片气弹稳定性研究北大核心CSCD

为了探究大型风力机柔性叶片在挥舞-摆振耦合作用下的气弹稳定性,文章基于ONERA非线性气动模型建立了包括二维翼型非线性气动升阻力方程及其挥舞-摆振耦合运动方程的气弹模型。利用该气弹模型计算得到NREL 5 MW风力机叶中段DU35-A17翼型在叶片变桨前后的挥舞、摆振变形量变化曲线,并与FAST计算结果进行比较,以验证气弹模型的准确性。结果表明:在额定工况时,叶片出现z轴正方向、y轴负方向的弯曲变形;风力机未变桨时,挥舞、摆振变形量会随风速增大而增大;叶片变桨后,挥舞、摆振变形量会比额定工况下的变形量有所减少。由于计算得到的挥舞、摆振变形量曲线是收敛的,故叶片是气弹稳定的。该气弹模型为评估大型风力机柔性叶片气弹稳定性提供了新方法,计算得到的挥舞摆振位移数据为优化风力机结构参数、提升叶片气弹稳定性提供了数据参考。