水平轴风力机在偏航情况下动态失速模型分析

介绍了动态失速物理过程及Leishman-Beddoes(L-B)动态失速模型,将其应用到已有的风力机气动性能预测程序中.该文以美国可再生能源实验室的水平轴风力机为基础,预测了在有无偏航情况下不同来流风速的功率,并与美国国家可再生能源实验室的实验结果进行了比较,两者较为吻合.通过给出不同径向位置下攻角和气动力曲线,分析了偏航导致的动态失速发生的基本特征,为进一步研究打下基础.     

小型风力机偏航时输出功率的计算和实验验证

利用风力机在固定偏航时的动量定理,分析了风力机的功率随偏航角的变化规律.对300 W样机进行了外特性测试,通过将理论计算的结果与实验测试结果进行对比,分析了动量定理在风力机偏航时应用的可靠性及存在的问题,为今后风力机偏航时的功率评估提供了一定的理论依据.     

风力机偏航引起的失稳振动

根据风力机偏航系统的结构和偏航原理,建立塔架扭转振动的模型.基于塔架扭振运动方程,引入摩擦失稳因子,得出失稳条件.对滑动摩擦型偏航系统和带滚动轴承的偏航系统进行了分析,揭示了所观测到的振动现象可能为塔架扭振失稳,解释了失稳的机理,并根据实际风力机的数据进行了仿真检验.结果证明,滑动摩擦型偏航系统工作时,确有可能引起塔架扭振失稳.适当减小刹车块调节螺栓的锁紧力矩,可消除这种振动故障.     

偏航工况下风力机动态失速特性的数值模拟

采用基于滑移网格模型的三维非稳态CFD方法,对NREL Phase VI风力机在偏航工况下的动态失速特性进行计算,分析旋转周期内翼型攻角和升力系数的变化,并进一步分析非稳态流动对动态失速的影响。结果表明:偏航工况时,来流风的水平分量和翼型的非稳态绕流会延缓气流分离涡的形成和失速现象的发生,伴随的动态失速现象会显著增加叶片的动态负荷;越靠近叶根动态失速特征越明显,翼型承受的非稳态升力系数最大可达静态升力系数的5倍以上,升力系数迟滞环面积也更大。计算结果能够为风力机优化设计和运行提供理论指导。     

基于TMD的风力机塔筒振动控制研究

针对风力机塔筒在风振效应下振动过大的问题,该文基于调谐质量阻尼器(TMD)开展对风力机塔筒的减振控制研究.以某大型2 MW风力机塔筒为研究对象,基于ANSYS建立柔性的风力机塔筒有限元模型,并基于Kaimal谱和模态脉动曳力功率谱模拟得到脉动风速时程和风载时程曲线.为取得较好的TMD减振控制效果,根据Den Harto...     

偏航偏差角对风力机轮毂载荷的影响

偏航工况是风力机正常运行中的典型工况,为研究偏航工况下风力机轮毂载荷的特性,文章以某实验型3.0 MW机组为研究对象,通过叶片气动分析和Bladed软件仿真的方法,对不同偏航偏差角下的风力机载荷进行仿真分析,得到了风力机的输出功率及轮毂My和Mz的载荷。研究结果表明：当风力机运行在额定风速以下时,偏航偏差角的存在会降低风力机输出功率;当风力机运行在额定风速以上时,一定范围内的偏航偏差角能维持风力机满功率稳定运行。风力机在不同偏航方向下有不同的载荷表现,相比于负向的偏航偏差角,正向的偏航偏差角会导致更大的风力机轮毂载荷。该研究为大型风力机优化偏航控制及保护提供了参考。     

偏航对水平轴风力机尾迹的影响

文章采用数值模拟结合理论分析的方法,对在偏航工况下额定功率为300 W的S翼型水平轴风力机进行计算和分析。首先进行网格无关性验证,在此基础上对4个偏航工况进行数值模拟,对比分析了风轮后不同截面上的尾迹速度和尾迹偏转角。结果表明,偏航导致尾迹中心产生一定程度的偏斜,尾迹形状卷曲不对称,风力机尾迹缩短;随着偏航角的增大,尾迹偏转角增大;随着传播距离的增加,偏转程度逐渐减小,风轮上、下侧尾迹偏转差别很大。     

水平轴风力机稳定偏航气动性能计算

采用涡流柱理论替代动量叶素理论(Blade Element Momentum,BEM)中的动量理论建立了风力机处于稳定偏航时的气动性能计算模型,考虑了叶根旋涡和偏航引起的流动膨胀对诱导速度的贡献.计算结果与文献实验数据的比较表明:轴流来流状态时能较好的预测平均诱导速度因子,攻角的误差是由普朗特(Prandtl)叶尖/轮毂损失模型的不足引起;偏航工况时,在叶片中部攻角预测较为准确,但将叶根旋涡简化为半无限长涡丝以及忽略桨盘上环量沿展向和周向的变化会使得叶根和叶尖处的攻角计算误差较大.     

浮式风力机多平台阵列的动态响应

为研究浮式风力机多平台阵列的动态响应特性,建立了基于OC3-Hywind Spar Buoy平台的NREL 5 MW浮式风力机整机模型,根据辐射/绕射理论方法分别研究并比较了单平台、1×5线性排布和3×3方阵排布的多平台动态响应特性.结果表明:浮式风力机Spar平台在纵荡、垂荡和纵摇方向的响应均集中在低频波浪阶段;1×5线性排布的多平台纵荡位移响应均低于单平台,共用系泊系统有效抑制了平台的纵荡位移响应,但是对垂荡位移、纵摇偏转角响应影响不大;3×3方阵排布位于两侧的平台存在较大的横荡位移响应,但纵荡位移响应均小于单平台,位于中间位置的平台纵荡位移响应大于单平台,但横荡位移响应几乎可以忽略不计;3×3方阵排布中心位置和顶点处的平台垂荡位移、纵摇偏转角响应小于单平台,其余平台垂荡位移、纵摇偏转角响应没有受到明显抑制.     

偏航速度对风力机功率及叶片应力的影响研究

通过实验测试,以动态旋转平台模拟风力机风向变化及偏航对风,研究不同偏航速度及偏航延时时间对风力机叶片应力及功率的影响。结果表明：动态偏航对风过程中,应力值基本呈由前缘向后缘、叶根向叶尖递减的趋势,在叶展方向0.67R及0.75R处,叶根弦向方向0.25c及0.50c处出现应力集中现象,偏航延时时间的加入可有效抑制叶片应力波动,过慢的偏航速度会导致功率曲线出现较大波动。引入一无量纲系数,该系数为风力机功率及叶片应力的比值,通过分析得知在仅考虑风力机叶片应力及功率时,风力机最佳偏航速度为0.5°/s。     

偏航工况下水平轴风力机叶片气动变形数值模拟研究

以非定常叶素动量方法和水平轴风力机结构动力学为基础,建立风力机气弹计算的仿真程序,将偏航模型耦合进气弹程序中,针对某5 MW水平轴风力机进行仿真计算,分析比较了该风力机在不同偏航角工况下叶片变形沿径向和周向的分布情况,总结了不同偏航工况对风力机叶片变形的影响规律。研究结果对风力机叶片设计和疲劳寿命的预测有一定的指导意义。     

大型风力机偏航回转支承连接螺栓应力分析

目前大型风力机偏航回转支承连接螺栓应力分析主要着眼于孤立螺栓和有限工况而忽略了扭矩,计算不够全面。为了更全面地分析螺栓的受力状况且得到较为合理的结果,提出了一种考虑所有螺栓、所有工况和多个载荷分量的综合分析方法,即基于VDI2230高强度螺栓计算方法,采用有限元软件ANSYS加入了一个虚拟连接螺栓,构建了偏航回转支承与主机舱座和塔顶法兰的连接螺栓的整体模型,利用BLADED软件遍历了所有工况的时序载荷,将最大合弯矩按大小和角度分别进行了一定数量的等分,考虑多个载荷分量对螺栓的作用,并由此得出了极限载荷工况,进而结合连接螺栓在不同等分载荷下的应力,使用分段线性插值方法,计算出了偏航回转支承连接螺栓的最大应力及其对应的位置,为螺栓连接设计和优化提供了参考依据。     

风电机组振动数据分析与偏航校正

风电机组运行数据能够反映各系统之间的相关性和机组运行中存在的问题。为了判断机组发电效率低的原因,本文根据机舱振动加速度数据提出假定并通过计算分析风速功率曲线和偏航误差角度对应关系。现场检查结果表明,该机组偏航存在45°误差并导致振动异常,与理论推算误差角度44.6°相符。     

固定偏航下风力机输出功率及涡声关系的研究

文章研究了偏航条件下风力机的出力及气动噪声,对固定偏航下的风力机进行了非定常数值模拟。研究结果表明:偏航角每增加10°,升力系数平均值分别降低2.0%,5.7%,10.6%,输出功率分别下降为3.90%,11.11%,19.77%;随着偏航角的增加,中心涡扩散区域增大,涡量强度增强,声压级也相对较强;中心涡对尾迹声辐射的影响长度较长,叶尖涡影响长度较短。     

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。     

基于有限元法的漂浮式风力机Spar平台动态响应分析

以美国可再生能源实验室(NREL)的5 MW漂浮式风力机和Spar平台为参考模型,采用有限元分析法分析了Spar平台的波浪载荷频域特性,包括对振幅响应算子、绕射力和F-K力频域动态响应分析,并对比了三种波浪谱(P-M谱、JONSWAP谱和Wen’s谱)海况下的时域响应.结果表明:Spar平台载荷峰值出现在低频波浪作用下,且响应明显,而随着频率的增大,其值逐渐减小;在P-M谱和Wen’s谱作用下的平台动态响应无明显差异,且两者的振幅和周期大致相同,而在JONSWAP谱作用下的平台动态响应最小,但其往复周期小,频率大,使得系泊系统承受较大的周期性张力.     

2种海上风力机漂浮式风电场平台动态响应对比

为研究不同海上风力机漂浮式风电场平台风浪流联合作用下动态响应,分别建立基于OC3-Hywind Spar与ITI Energy Barge平台漂浮式风力机的2×2阵列漂浮式风电场,结合辐射/绕射理论与有限元方法,使用海洋工程软件AQWA及风力机仿真软件FAST分别进行水动力学与气动载荷计算,分析2种漂浮式风电场平台时频响应特性。结果表明：Spar与Barge平台频域响应均集中在2.00 rad/s以下低频区域,在2种风电场中,Spar风电场各平台在垂荡、纵摇、横摇、艏摇4自由度及机舱振动加速度上稳定性较好;风电场中平台横荡、纵荡及机舱振动加速度大小与其在风电场中所处位置有关。     

风力机塔筒顶升纠偏机理研究与应用

针对目前国内出现的多台问题风力机因基础混凝土风致疲劳损伤严重致塔筒倾斜严重而无法正常运行的工程事故,提出一种适用于风力机塔筒倾斜的基础环顶升纠偏方法,该方法简单、安全有效.基于塔筒倾斜摇摆机理,建立基于弯矩平衡原理的风力机塔筒顶升纠偏力学模型,提出纠偏最大顶升力的计算方法.经验证,湖南某风电场18#问题风力机塔筒顶升过...     

基于流固耦合偏航下风力机尾迹湍流特征的研究

偏航状态下风力机叶片与流场之间相互作用会导致风力机近尾迹流场的湍流特征变化,采用双向流固耦合对不同偏航工况下水平轴风力机近尾迹流场进行数值模拟研究,获得不同偏航角下尾迹湍流特征演化规律。结果表明：随着偏航角的增大,正偏航侧会出现“速度亏损圆环”,且此圆环的范围呈扩大趋势;偏航角的增大对叶根处速度亏损影响最大,对叶尖处速度亏损影响最小,与正偏航侧相比,负偏航侧的速度亏损值减为约1/2;随着偏航角的增大,正负偏航侧的湍流强度变化呈不对称性,正偏航侧对湍流耗散的影响程度较负偏航侧大;涡流黏度越来越小,且在偏航10°涡流黏度相对于偏航5°减小约1/2,沿着轴向叶尖涡的管状环涡结构变得不稳定,出现明显耗散,且在偏航15°之后涡结构的耗散破裂程度越来越剧烈,进而对风力机气动噪声产生较大影响。     

基于偏航的风力机尾迹偏移控制流动机理研究

通过非定常CFD方法模拟在大气边界层环境下2台串列布置的全尺寸5MW风力机组,研究在风场多尺度流动特性下基于偏航的尾迹控制方法导致尾迹偏移的流动机理.结果表明:上游风力机偏航可有效提高风场总功率;速度场分析显示偏航时尾迹发生形变,而涡量场分析表明偏航的尾迹在传播过程中将产生一对逆时针旋转的涡,从而导致尾迹在宏观上表现为偏移;尾迹偏移效果仅在轮毂高度处较为显著,发生形变的尾迹低速区仍会向其余区域扩散.