水平轴风力机柔性叶片气弹耦合分析

针对水平轴风力机柔性叶片的气弹耦合模型与数值积分方法进行研究。首先应用超级单元法,将柔性叶片离散为若干个超级单元,单元内刚体之间由带有力元弹簧和阻尼器的万向节或转动铰联接,以描述叶片的挥舞、摆振和扭转等运动;基于计算多体动力学理论,应用R-W(Roberson-Wittenburg)方法,导出带约束的旋转叶片多体系统动力学方程;基于叶素理论,计算叶片变形状态下各刚体所受的气动力,在数值积分过程中实时实现两者之间的耦合。算例分析了某1.5 MW风力机叶片在一定风速和转速下的气弹耦合。结果表明超级单元法能用较少的自由度准确描述柔性叶片的弹性变形、气动载荷和叶片位移间的耦合,为风力机整机气动弹性耦合及稳定性分析提供了实用的分析方法。     

水平轴风力机柔性叶片气动弹性响应分析

基于模态分析法,通过二节点悬臂梁单元对柔性叶片进行离散化分析,得到水平轴风力机柔性叶片在挥舞、摆振和扭转方向上的固有特性;利用Newmark常平均加速度法和振型解耦实现各阶的振型结构动力响应分析。以某5MW大型风力机为例,分析高阶特征模态对叶片动态响应的影响,同时考虑截面扭角变化前后对气动弹性载荷的反馈作用。结果表明,大型风力机柔性叶片在旋转过程中的振动和变形相当大,截面扭转变化对风力机的气动弹性问题有较大影响。     

非定常条件下风力机柔性叶片气弹耦合分析

研究叶片振动与扭转变形对气动载荷的反馈以及基于静、动态气动模型的叶根载荷的差异。应用计算多体动力学理论和叶片气动模型,建立受约束的柔性叶片非线性气弹耦合方程,得出叶片气弹耦合时域响应。以某5 MW风力机叶片为研究对象,研究柔性叶片的振动和变形对叶根力矩的反馈;在修正的叶素动量理论(BEM)基础上,引入Beddoes-Lesihman动态失速模型,考察叶片气动载荷的非定常效应。分析表明,随着叶片柔性增加,气弹耦合现象愈加明显;动态失速将引起叶片载荷有较大的振荡幅值和频率,影响叶片疲劳载荷谱的分析和疲劳寿命的设计。     

水平轴风力机结构动力响应分析

考虑水平轴风力机叶片和塔架的结构柔性,基于模态分析方法,建立了风力机叶片和塔架的耦合动力学模型来模拟整个系统的动态行为.应用线性加速方法,实现了结构动力响应的数值解法.利用分析模型对一台1.25MW风力机在稳态风作用下的结构动力响应进行了计算,计算结果显示所建立的模型能正确反映外部激励对结构变形及载荷的影响.此外,从计算结果可看出大型风力机的柔性结构在工作过程中变形很大;在进行载荷计算时考虑前二阶模态可得到较合理的计算结果.     

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。     

水平轴风力机叶片优化设计方法

为避免风力机叶片设计陷入局部最优解,通过Bezier参数化曲线定义叶片弦长及扭角分布规律,采用遗传算法优化曲线控制点位置,以年发电量最大为优化目标,全局寻优叶片外形参数,并与Wilson设计叶片比较。分别计算两种设计叶片在额定风况及变风况下的气动性能,结果表明:通过遗传算法设计的叶片弦长、扭角更小;额定风况下,遗传算法设计叶片推力系数更小,最大功率系数更大;变风况下,两种设计叶片输出功率相差不大,但Wilson设计叶片的叶根弯矩和风轮推力更大,整个工作风速区平均为4.7%和7.3%。     

风力机叶片动力学响应分析

该文发展了一种适用于风力机叶片的动力学响应计算方法,该方法考虑到叶片的实际工作状况及计算量的大小,选用修正的动量叶素理论和梁单元作为流体和结构模型,并将动态失速模型与动量叶素理论结合计算气动力;以Marc通用有限元计算程序为基础平台,将气动力计算程序写入子程序中,并根据子程序的调用特点,实现了在每个增量步中气动和结构边界条件的相互交换。最后给出计算算例,得到的计算结果与实际使用情况相符合。     

水平轴风力机筒型塔架动态响应分析

为获得水平轴风力机塔架在时变载荷作用下的动态响应,将塔架简化成悬臂梁,利用二结点梁单元进行离散化建模,分析了塔架弯曲振动固有动力特性。在建立塔架结构动力学运动方程、计算塔架所受时变载荷的基础上,运用线性加速度法和模态叠加原理对风力机塔架的动态响应进行计算,编制了相应的计算机程序。以某1.0MW风力机塔架为例,获得了风力机在湍流风运行条件下塔架在仿真时间内的位移、速度和加速度,并与"GHBladed"软件的计算结果进行了比较,表明计算模型是可行的。     

大型水平轴风力机叶片应力特征分析

基于ANSYS软件,对某款1 500 kW大型水平轴风力机叶片的应力特征进行了分析.该水平轴风力机叶片在极限挥舞载荷的作用下,叶片大梁和叶根的整体应力水平比较高,而剪切腹板和翼板上的整体应力水平比较低,这说明叶片大梁和叶根是叶片的主要承力部件,而剪切腹板和翼板主要作用是维持叶片结构的稳定性.另外,在叶根与剪切腹板相接的角点上存在应力集中现象,其最大应力为228 MPa,但是,剔除应力集中点后,叶片大梁上的应力比叶根高,叶片大梁中部约1/3区域的应力都比较高,其最大应力为211 MPa,平均应力为180 MPa左右.此外,该叶片的最大应力仅为所采用的玻纤,环氧复合材料拉伸强度的34.8%,说明该叶片的铺层结构设计是偏于安全的,可以适当提高叶片挂机运行时的额定发电功率.     

水平轴风轮机叶片气动弹性响应分析

本文对线性和非线性气动力的叶片气动弹性响应进行了讨论。由连续气弹方程采用伽辽金法离散,导出了一些有关矩阵。采用wilson-θ法计算响应。最后给出了两个算例。     

少叶片水平轴风力机风轮叶片强度的计算

分析了作用在水平轴风力机叶片上的载荷及其计算方法，按没工况推导了叶片强度的计算公式，并对计算风速选择做了说明。     

科氏力对水平轴风力机叶片的影响

基于叶素理论和风力机的运行特点,建立了叶片的科氏加速度理论计算模型;应用有限元原理,给出了考虑科氏力时风力机叶片频率的计算方法;根据小扰动思想推导出了叶片在旋转状态下的动频分量.最后应用以上模型和方法,以600 kW风力机叶片为例进行了实体建模、动力学分析,得出频率及相应振型,结果表明科氏力对叶片的频率有一定程度的影响.     

水平轴风力机叶片的实体建模研究

风轮叶片是将风能转化为机械能的核心部件,其叶片翼型属于复杂的三维空间翼型。通过点的坐标的几何变换理论,利用通用的数据处理软件EXCEL求解叶片各截面在空间实际位置的三维坐标,并基于UG的三维造型功能,以750kW水平轴风力机叶片为例,对叶片进行实体建模研究,为后续的叶片的性能分析奠定了很好的基础。     

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。     

水平轴风力机叶片翼型流场的数值模拟

为了直观形象地探讨水平轴风力机叶片翼型的气动特性,利用计算流体力学软件FLUENT对水平轴风力机叶片常用翼型NACA63425流场进行了数值模拟,得出了翼型NA-CA63425在不同来流攻角下的升力系数、阻力系数、升阻比和不同流攻角下的流场流线图和翼型表面的压力分布。根据模拟结果对不同攻角下尾迹漩涡分离流动进行了分析和比较,得出该翼型气动特性随攻角的变化规律。     

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...     

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。     

水平轴风力机叶片稳态失速气动阻尼分析

通过对风力机叶片翼型截面进行稳态气动力分析,同时结合整个叶片的结构动力学模态分析,创建风力机叶片稳态气动阻尼分析模型.从而在准确计算单翼型和单叶片气动阻尼的基础上,建立有效的气动阻尼分析方法,探究影响气动阻尼变化的关键参数.并以容易引发叶片失速振动的负气动阻尼为研究重点,采用典型的叶片模型进行实例计算,进而应用建立的气动阻尼分析方法进行叶片模型参数修正,旨在改善失速工况下的负气动阻尼,从而为风力机叶片的气动优化和抑振设计提供较准确的现实依据.