风力机塔架减载控制研究

采用FAST/Aerodyn和Matlab/Simulink搭建风力机气弹与控制联合仿真平台,以NREL-5MW风力机作为参考机型,实现了风力机转矩控制模型和变桨距控制模型。通过在变桨距控制器中引入塔架减载控制环,考虑了匀速风,渐变风,湍流风等风况,研究变桨距-塔架控制环对塔架动态载荷及结构动态响应的影响作用。研究结果表明变桨距-塔架减载控制环可以有效减小风力机塔架的动态载荷及变形,对风力机输出功率的影响较小;变桨距-塔架控制环增益系数G的取值过小则减载效果不明显,取值过大会引起系统震荡持续时间过长,NREL-5MW风力机的增益系数G最优值为0.2;风力机塔架减载控制技术可以有效降低风力机的运行维护成本,有良好的工程应用前景。     

电压跌落对风力机塔架振动影响分析

为分析电网电压跌落对风力机塔架振动的影响,利用二节点梁对风力机塔架进行离散化建模,分析了塔架振动的模态。建立了塔架动力学运动方程,考虑风切变,分析了塔架所受的载荷。基于某风场某型1.5MW风机低电压穿越测试的数据,计算了塔架所受的载荷,并利用模态综合法求解塔架动力学方程,得到对称与不对称电压跌落风力机塔架的瞬态响应。结果表明,电压跌落会对塔架产生冲击效应,冲击的大小与机组工况,电压跌落形式,跌落幅值以及跌落时间相关。     

多载荷共同作用对大型风力机关键部件受力影响分析

针对3MW水平轴风力机,为了探究多载荷共同作用对风力机结构部件的影响效果,本文利用GH Bladed对3.2MW风力机进行仿真计算,通过探究气动载荷和地震作用对风力机结构受力特性的影响,证明了在风力机载荷计算中考虑地震作用的必要性.结果表明,当载荷共同作用时,结构载荷随着地震动加速度值增大而增大,说明结构载荷与地震动加...     

风力机塔架瞬态响应分析

风力机累积装机容量增长,单机容量变大,使得风力机塔架瞬态响应更加突出。为分析风力机塔架的瞬态响应,利用二节点3D Timoshenko梁对塔架进行了有限元离散化建模,考虑塔架的剪切效应,重力钢化效应,分析了塔架振动的固有属性。建立了塔架动力学运动方程,分析了塔架所受的时变载荷。以某型1.5MW风力机的三种塔架(刚性、柔性、混合式)作为算例,分别计算了这三种塔架在阵风与电网电压发生跌落时所受的时变载荷,考虑了风轮的气动阻尼,利用模态叠加法与Newmark积分法求解塔架动力学方程得到塔架的瞬态响应。结果表明,阵风与电网电压跌落都会对塔架产生冲击效应,尤其是塔架前后方向,影响机组的稳定运行,其中混合式塔架的冲击位移最小。     

风力机叶片气动特性数值模拟

在保证定雷诺数和定风速的情况下,通过FLUENT软件分别模拟了不同攻角下二维翼型NACA4412的绕流流场,得到了翼型的表面压力分布、速度分布以及升、阻力系数,从而确定了最佳攻角。     

风力机叶片设计及翼型气动性能分析

叶片作为风力发电机最关键的部件,其气动特性好坏对于风力发电至关重要。以750 k W风力机叶片为例,采用Wilson设计方法对叶片进行设计。在此基础上,应用流体计算软件CFD对所选翼型进行气动分析,得出翼型表面压力随攻角变化关系。该方法可提高风力机叶片等复杂曲面的建模效率并可对叶片后续的气动性能分析奠定基础。     

风力机叶片气动载荷的优化研究

为了研究垂直轴风力机的叶片气动性能,利用流固耦合法模拟了垂直轴风力机在实际工况下的气动载荷分析,模拟结果表明,由于翼型后部较薄,受到的变形应力最大。为了避免因叶片变形而引起风力机整体气动性能下降,提出了通过加大翼型后部厚度的方案来提高叶片的强度,并通过数值模拟对改进后的翼型做了气动性能分析,得出了适当的增加翼型后部厚度,并不会对翼型气动性能造成太大的影响,验证了此方案的有效性。这些研究结论为今后垂直轴风力机的设计制造提供了一定的参考依据。     

大功率风力机叶片模态及气动特性分析

对大功率海上风力机叶片模态特性和气动特性进行研究。建立了叶片翼型截面弯扭耦合运动微分方程,通过翼型截面坐标变换和旋转拉伸在UG中建立了国产某型6MW风力机叶片三维模型,运用Ansys/Blocklanczos法计算了叶片前6阶固有模态。在Ansys/Workbench中搭建叶片流场仿真模型,讨论了风速和气动攻角等参数对叶片振动变形的影响。结果表明各阶固有模态中叶尖部位的振型相对明显,随着风速和攻角增大,相同截面位置上的叶片振动变形逐渐增大。     

水平轴风力机叶片动态响应分析

为了获得水平轴风力机叶片在时变载荷作用下的动态响应,把叶片简化成悬臂梁,利用二结点梁单元进行离散化建模,并考虑由于叶片旋转所产生的离心刚化作用和气动阻尼作用,分析叶片弯曲振动的固有动力特性。在建立叶片结构动力学运动方程、计算叶片所受时变载荷的基础上,运用Newmark法和模态叠加原理对风力机叶片的动态响应进行计算,编制相应的有限元计算程序。以某1.0MW风力机为例,仿真其在湍流风场作用下的发电工况,获得其叶片的结构动力响应。仿真结果表明,大型水平轴风力机叶片在工作过程中承受较大的振动和变形,离心刚化和气动阻尼作用都对其结构动力响应有着较大影响。     

应用有限元分析系统计算风力机塔架结构的动态特性

本文讨论了空间系杆钢结构风力机塔架的动态特性、建模和有限单元类型的选取及计算方法。介绍了我们在ＡＤＩＮＡ系统基础上所开发的风力机塔架结构特性分析软件。通过一个实例，计算并给出了它的动态特性，并与实测结果进行了比较和讨论。     

风力机叶片气动设计与结构研究

采用Wilson模型优化设计水平轴风力机叶片的气动外形;利用有限元软件对玻璃钢叶片在风力、重力和离心力的耦合作用下的静力学、稳定性和动力学进行仿真分析.通过对叶片额定风况下的静力学和稳定性分析,不仅能获取叶片的应力和应变分布,而且可检验叶片设计的安全性和合理性.通过叶片动力学分析,计算叶片的振动频率,判断能否避免共振,实现正常运行.     

基于叶素-动量理论及有限元方法的风力机叶片载荷分析和强度计算

风力机叶片是整个风力发电机组的核心部件,其结构需保证风力机可以有足够的刚度、强度和稳定性.风力机叶片所受载荷是强度分析的关键.运用CATIA对风力机叶片进行三维建模,得到叶片的外型参数.基于叶素-动量理论(BEM)对风力机在正常工况下所受到的载荷进行分析和计算,并利用有限元软件(ANSYS)对其进行应力分析,得到了叶片上的应力分布规律,并对其进行了强度校核.分析结果可为风力机叶片载荷研究做参考.     

低噪声风力机叶片气动外形优化设计

针对目前兆瓦级风力机叶片噪声污染问题,基于动量叶素理论及叶片噪声计算模型,提出在给定工况条件下,以功率系数与噪声的最大比值为目标函数,以影响叶片气动噪声性能的弦长及扭角为设计变量,建立了低噪声风力机叶片优化设计数学模型。对某实际2.3MW风力机叶片进行优化设计,并与噪声实验数据对比,结果表明：在主要频率域范围内,叶片噪声预测值与实验数据较吻合;相比原叶片,新叶片具有更低的噪声特性,噪声声压级降低了约7.1%,同时风轮功率系数略有增大,从而验证了该设计方法的可行性。     

水平轴风力机叶片气动性能计算及影响因素分析

叶片作为风电机组的关键部件之一,其设计和可靠性直接关系到风力发电机组的安全运行,而气动性能的好坏将会直接影响到叶片外形设计及机组效率。因此,对叶片进行气动性能计算和数值模拟成为必要。根据动量叶素理论建立风力机叶片气动计算模型,考虑到叶尖损失,叶根损失,叶片宽度和厚度等因素的影响对该模型进行修正。用MATLAB语言编制计算程序,针对某一具体翼型数据进行了气动性能的计算,分析了风轮实度、安装角、锥角以及偏航等因素对叶片气动性能的影响。     

极限载荷作用下风力机叶片跨尺度分析

跨尺度分析是风力机叶片力学性能研究的重要方法,首先对风力机叶片在极限载荷作用下进行有限元分析;然后结合最大正应力准则及桥联模型将叶片的宏观响应传递到细观模型,对叶片进行细观失效分析;最后依据Tsai-Wu失效准则和层合板理论将细观材料强度转换为宏观层合板强度,对叶片进行宏观失效分析。仿真与理论的结果表明：根据该方法可以判断风力机叶片在不同尺度下是否出现失效以及出现的失效形式;同时可以完成跨尺度的材料强度预测,对风力机叶片的失效预测具有重要的工程价值。     

风轮和塔架耦合作用和旋转效应对大型风力机动态响应的影响

通过自行编制的风剪切和Davenport脉动风谱程序建立了更加贴近实际工况的风场,以UG建立的5 MW大型风力机实体模型作为研究对象,基于单向流固耦合技术(UFSI),运用有限元软件Ansys数值模拟了不同转速下考虑风轮-塔架耦合作用的风力机结构动态响应。结果表明:叶轮与塔架耦合作用会显著增大叶片与塔架的最大位移和应力响应值;耦合作用使得叶片最大应力由相对翼展0.5处移动到0.7处且塔架出现多处应力极值;需考虑结构间耦合与旋转效应的联合作用时,才能得到风机准确的运行参数。     

气动载荷作用下复合材料风力机叶片结构优化设计

针对复杂构形的复合材料风力机叶片内部结构,采用新设计的2 MW风力机叶片,基于等代设计法对其进行复合材料初始铺层设计;建立完整的叶片有限元参数化模型;基于修正的动量叶素理论,提出一种适用于叶片结构设计与优化的新的流固耦合方法;建立叶片优化数学模型,以叶片质量最小为优化目标,以层合板厚度、主梁位置等作为优化设计变量,采用粒子群算法与有限元法结合的策略对复合材料风力机叶片进行优化设计。优化结果表明,相比初始叶片,优化后的叶片质量有了较大的减少,而且以优化设计方案二(叶片主梁位置可变作为优化设计变量之一)的结果尤为明显。该研究对于风力机叶片结构设计及优化具有重要的指导意义,使风力机翼型、叶片及结构参数化一体化设计成为可能。     

考虑风轮和塔架动力耦合的大型风力机流固耦合动态响应分析

通过风剪切和脉动风谱程序建立了模拟工况的风场,以某大型风力机实体模型作为研究对象,运用有限元软件ANSYS数值模拟了流固耦合作用下风力机结构动态响应。结果表明:与脉动风相比,风剪切对叶片的最大位移和应力影响更显著;叶轮与塔架耦合作用会显著增大叶片最大位移和应力响应值;考虑耦合作用后叶片最大应力由相对翼展0.5处移动到0.7处。该研究结果可为风力机的优化设计提供技术参考。     

叶片结构对叶片风能利用率及载荷的影响分析

针对叶片结构设计过程中叶片结构变化对风电机组性能及安全性的影响,利用GH Bladed对某73.2 m叶片进行仿真计算,通过探究扭转刚度、摆振刚度、抗弯刚度对风电机组的净空、风能利用率、发电量及载荷的影响,分析不同的刚度变化情况对机组性能及安全性的影响程度,为叶片结构设计提供依据,更加快速准确地推进叶片设计进程。结果表明,在提高发电量的前提下,叶片结构调整应该增加叶片扭转刚度和挥舞刚度,降低叶片摆振刚度,提高叶片挥舞刚度能够明显提高叶片净空及发电量,但同时会增加叶根载荷;在降低叶根合弯矩载荷的前提下,叶片结构调整应该增加叶片扭转刚度,增加叶片摆振刚度,降低叶片挥舞刚度。因此在实际调整中,需要根据载荷和发电量的实际情况进行平衡。     

大型风力机塔架的模态与强度分析

针对大型风力机运行中塔架常见的倾斜、中间凸出、焊缝开裂等故障,利用ANSYS有限元分析软件和工程算法对其结构进行了动力特性、屈曲分析和焊缝的分析。通过塔架模态分析可以优化塔架设计,避免风机在正常工作时塔架与风轮发生共振;屈曲和焊缝分析能够保证塔架的刚度和强度满足极限工况的负荷要求,从而为塔架的结构设计提供最佳参数依据。