可变偏心距风力机应力应变特性研究

针对新型可变偏心距风力机,通过数值模拟及实验测试的方法,研究偏心距离对风轮、塔筒及侧偏调节机构受力的影响。结果表明,在来流风速增大的条件下,可变偏心距风力机通过增大偏心距可减小叶片受力,风轮向右侧偏心100 mm时叶片最大应力是未偏心工况的86%;随着偏心距离的增大,塔筒在俯仰方向受力增长趋势放缓,受风轮偏转角增大的影响,塔筒在侧弯方向受力处于持续增大的状态;在向右偏心距离增大的过程中,风轮侧偏调节机构应力及应变逐渐向右侧集中,最大应力、应变始终处于中间部位,结果验证了偏心距调节方式的可行性及安全性。     

可变偏心距风力机模态特性分析

在水平轴风力机的结构基础上,文章提出了一种具有风轮侧偏功率调节功能的可变偏心距风力机。通过对整机进行模态分析及风洞测试,验证了该风力机在不同来流风速下运行的稳定性。模态分析结果显示:可变偏心距风力机前6阶固有频率均处于共振带之外;摆振为可变偏心距风力机整机的主要振动形式;来流风速对风力机的振动频率影响较小,在不同偏心距工况下,随着来流风速的增大,1阶动频均呈减小趋势,最大降幅为0.14%;风轮转速对风力机的振动频率影响较大,随着转速的升高,风力机的动频会显著升高,当风轮转速为180 r/min时,1阶动频较额定转速工况(450 r/min)相差24%;当风轮转速达到630 r/min时,1阶动频较额定转速工况相差14%;通过增大偏心距可实现对输出功率的有效控制,当来流风速为16 m/s时,右偏100 mm工况下的输出功率为未偏心工况的64%。     

基于风剪切的多风轮风力发电系统叶片载荷研究

搭建由10个50 W水平轴风力机组成的多风轮发电系统,并对该系统所在位置风剪切系数进行测试。基于叶素理论建立水平轴风力发电机叶片载荷简化计算公式。在同样的风剪切条件下,计算总功率为500 W单风轮风力机和多风轮风力发电机的叶片载荷,考察叶片方位角、风轮半径、风力机安装高度、风剪切系数和风速对叶片载荷的影响。结果表明,风轮半径越长、风力机安装高度越低、风剪切系数越大,叶片旋转过程中载荷变化越大;用多个小型风力机取代单个大型风力机可有效减小风剪切的影响。     

小型风力机大风限速方法的发展与研究现状

总结了小型风力机常用的大风限速方法的发展与研究现状,介绍了具有风轮侧偏机构的风力机和被动变桨矩风力机的结构动力学的研究进展,以及尾舵空气动力学和结构动力学的研究现状.     

风轮风载荷等效系数计算方法研究

在风力发电机支撑结构设计初期,风轮的载荷多根据建筑风载荷规范确定,但建筑风载荷计算中常采用的体型系数却无法准确计算旋转机构荷载。文章首先分析了水平轴风力机叶片推力系数与体型系数的关系,然后根据功率系数计算叶片推力系数,从而获得整个风轮的风载荷,据此提出了考虑实际叶片工作效率的风轮风载荷等效系数计算方法。应用该方法对某1.5 MW水平轴风力机进行计算,并与商用软件Bladed的计算结果进行比较,结果表明,该方法能够满足风力机风载荷计算的要求,是一种精度较高、适于工程应用的方法。     

重力回位型风力机限速机理的分析

该文揭示了重力回位型风力机侧偏过程中的风轮侧偏、尾翼气动力及重力回位的产生机理,推导出其力矩的精确计算公式,并给出一种风力机调速机构的设计方法;在力矩动态平衡的条件下,对300 W风电机组的限速控制机构进行设计计算,结果表明该设计符合重力回位调速的要求,对今后重力回位调速型风力机的设计和优化具有较重要的实用价值。     

小型风力机风轮及机舱动态响应特征分析

文章旨在探索小型水平轴风力机风轮与机舱动态响应之间的相互联系,采用应变测试分析系统对风轮径向应变信号以及振动测试分析系统对机舱三向坐标振动信号进行测试与分析。通过对实验数据的处理发现,风轮应变频谱和机舱振动频谱的阶次频率能很好对应,风轮挥舞振动节线位置附近径向应变较大,且挥舞振动引起的质量不平衡在离心力作用下对机舱水平方向上的振动影响较为明显。相关研究成果为小型风力机风轮监控工程应用提供新的诊断思路,并为风轮和机舱设计阶段的结构优化提供参考。     

水平轴风力风轮静态结构特性试验研究

提出了一种研究水平轴风力机风轮静态结构特性的测试方法，用单点加集中荷载所得数据来综合评定受分布荷载作用的风轮叶片的强度及变形特性，用于检验风轮叶片结构设计的合理性，获得在定常荷载作用下，叶片受力的危险截面，以小型水平轴风力机FD2-300的风轮叶片为例进行了试验研究。获得了该叶片的危险截面，试验证明：通过以抗弯截面系数和定常荷载作用下的截面弯矩曲线的颁上为判据进行叶片结构形状合理性分析是一种快速、实用的测试方法，可为研究风力机气动弹性稳定性和改进风轮叶片设计提供判据。     

风轮尺寸与旋向对双风轮风力机功率特性的影响分析

为掌握双风轮风力机风轮尺寸与旋向对其功率特性的影响规律,文章建立了双风轮风力机气动特性分析模型,并与美国国家能源部可再生能源实验室的实验结果进行了对比,计算分析了双风轮尺寸和旋向对风力机功率特性的影响规律。结果表明:当风速为10 m/s时,设计的双风轮风力机比单风轮双叶片风力机输出功率提升了84.9%;随着风轮半径增大,双风轮风力机输出总功率逐渐增加;当前、后两风轮反向旋转时,双风轮风力机前风轮大后风轮小的布局可获得更高的输出功率,且增幅随着后风轮半径增大先减小后增大,最大增幅为5.3%;除前、后两风轮半径相同的情形之外,双风轮风力机前、后两风轮同向旋转时输出总功率更大。     

基于压力表示法的水平轴风力机风轮气动弹性稳定性模型及应用

该文对影响水平轴风力机气动弹性稳定性的物理机理进行了分析，对国内外的研究方法进行了阐述。建立了基于压力表示法的水平轴风力机风轮气动弹性稳定性敏感性分析方法的物理与数学模型，综合考虑了风力机风轮的气动与结构参数对气动弹性稳定的影响。以600kw水平轴风力机风轮为例，对其气动弹性稳定性进行了分析与研究，获得了该风力机的气动弹性稳定性裕度和工作范围。考虑到风力机三维流动、风轮与塔架的藕合以及来流湍流和阵风等来流工况的复杂性，该分析模型目前还没有将上述因素考虑在内。若均考虑在内，则其能够提供较高的气动弹性稳定性预测精度。     

前后风力机尾流干扰实验分析及混合尾流模型验证

为研究两台水平轴风力机在不同排布下尾流的相互影响,开展两台风力机串联和错列工况下的尾流速度风洞测量实验。实验结果表明：对相同来流情况,风力机不同排布下混合尾流的尾流膨胀速率相同;串联风力机的轴向间距小于6倍风轮直径时,其混合尾流比单台风力机尾流恢复快。另外,对已有尾流模型的叠加方法（速度亏损平方和法）进行了验证。结果显示基于Park-polynomial模型和Park-Gauss模型得到的叠加尾流在距下游风力机3.5倍风轮直径的截面与测量值吻合良好。之后的截面高估了尾流的速度亏损。该研究为发展更准确的尾迹模型提供了风洞测量数据,对风电场内风力机排布优化有一定的工程意义。     

微小型风力机重力调速机构侧倾角优化分析

在借鉴前人成果的基础上,分析调速机构的工作原理,推导出重力调速过程中各力矩的表达公式,并设计制造出300 W风力机的重力调速机构;通过建立风力机调速数学模型,用Matlab编程软件对斜铰轴机构的侧倾角β″进行优化处理,并对其进行车载实验验证。结果表明:采用Matlab优化设计结果与实验测试值基本吻合,达到侧偏调速的要求。     

小型风力机风轮主动侧偏机构试验研究

根据输出的功率信号,对尾翼侧偏角度进行调节,可以在保证主动侧偏型小型风力发电机稳定安全运行的基础上,实现风能最大利用.通过实验得出不同侧偏角下风轮功率的输出,然后根据模拟输出功率信号,测试在不同工况下,主动侧偏机构动作的正确性和可行性,为整机试验做好前期准备工作.     

风轮间距与相位角对双风轮风力机功率特性的影响

采用雷诺平均N-S方程和滑移网格建立双风轮风力机气动特性分析模型,将风力机叶片压力分布和功率特性计算值与实验值进行对比,并分析双风轮间距和相位角对风力机功率特性的影响规律。结果表明:前风轮的输出功率基本不受风轮间距的影响,后风轮的输出功率随风轮间距的增大而减小,且降幅逐渐增大;随着风轮相位角的增大,前风轮的输出功率先减小后增大,后风轮的输出功率先增大后减小;当风轮相位角为30°和75°时,双风轮风力机总输出功率分别达到最大值和最小值。     

海上风力机的数值模拟

针对海上风力机运行的特点,根据NRELS809翼型数据,建立了水平轴风力机的整体模型。采用空气和水的两相流模型模拟海上工况,对模型进行数值计算,得到叶片绕流的速度分布和压力分布,并对两相流和单相流的变化情况进行了对比,最后对塔架的压力分布进行计算说明。研究结果表明:在两相流工况下,风轮叶片具有较高的功率系数,但该工况对叶片的强度、材料要求较高;气流流过叶片后均存在速度亏损,并在1倍风轮半径处趋于稳定;风轮对塔架的压力分布产生一定影响。     

新型双风轮风力机气动特性的三维流场数值模拟

基于Simplic算法,采用SST κ-ω湍流模型,利用Fluent6．3数值模拟软件对新型的小型双风轮风力机的气动特性进行了三维流场研究,并与同规格单风轮风力机的三维流场进行了比较．结果表明：与单风轮风力机相比,随着后风轮叶片数目的增加,新型双风轮风力机的湍流强度变大,风力机运行的稳定性在一定程度上有所降低;当后风轮的叶片数目合理时,后风轮对前风轮的影响较小,且可以有效地捕捉到前风轮的漏风,使得新型双风轮风力机的风轮在获得较大迎风面积的同时可以保持较高的转速,进而能够高效地实现风能的两级利用,明显提高发电功率和增大风能利用系数．     

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。     

风道式风力发电机迎风及调速方法

为降低风道式风力发电机的成本,提出了一种风力发电机迎风及调速方法。在风道装置始终正对风向的条件下,由于偏心机构和凸轮机构的共同作用,在风速低时,风轮正对着风向,在风速超限时,风轮相应侧偏,以限制风轮转速。基于空气动力学基本理论,推导出其结构参数的表达式,并叙述了各结构参数的选取原则。该方法可有效地起到大风限速的作用,提高风力发电机工作的稳定性。该调速机构结构简单、成本低,安装维护方便。     

基于不同叶片安装角的小型垂直轴风轮气动性能分析

针对不同安装角下的小型垂直轴风轮模型,建立风轮外流场CFD模型,采用移动网格技术,选用SST二维湍流模型和基于压力隐式耦合算法进行瞬态计算,获得风轮气动性能曲线,进而分析不同叶片安装角对小型H型垂直轴风力机风轮功率特性的影响,得出不同尖速比下使风轮获得最大风能利用率的最佳安装角。     

水平轴风力机风轮结构特性综合剪裁

基于静态与动态测试技术,对水平轴风力机风轮的结构特性进行了综合剪裁。在静态结构特性方面,用单点加集中荷载所得数据来综合评定受分布荷载作用的风轮叶片的强度及变形特性。为风轮叶片强度设计提供有效的判据。在动态测试方面,应用ＤＡＳ动态信号分析与故障诊断系统,对水平轴风力机的风轮叶片进行了试验模态分析,通过测量风轮叶片的振动信号,得到了风轮叶片的各阶模态分布,为风力机总机的总体优化设计提供了可靠的依据。