风力机塔架-叶片耦合模型风致响应时域分析

基于风力机塔架-叶片耦合模型,采用改进的叶素-动量理论模拟了考虑平稳风修正、叶片旋转效应和空间相干性的风力机气动载荷,并基于有限元方法对该耦合模型进行了动力特性分析和风致响应时域计算.基于目标响应时程探讨了风力机塔架-叶片耦合系统在随机风荷载作用下的动力响应特性,并与不考虑叶片影响的风力机塔架风致响应进行对比分析.研究表明,在进行风力机的抗风设计时,应该考虑塔架-叶片的耦合作用.     

垂直轴风力机叶片与圆柱形塔架相互干涉的数值模拟

为了研究垂直轴风力机叶片与中心圆柱形塔架之间的相互干涉,以Sandia型达里厄风力机为研究对象,建立二维模型。基于Spalart-Allmaras湍流模型,对三叶片Sandia型达里厄风力机在四个不同位置,进行了多组工况的数值模拟。研究分析了叶片与圆形塔架相互干涉的二维物理特征、叶片吸力面负压面积大小的变化、叶片表面所受压力规律性的变化与影响圆柱塔架的升力和阻力系数的原因。研究结果对于揭示垂直轴风力机风轮尾迹的物理机理,优化风力机结构,增加风力机的气动弹性稳定性和减少噪声辐射有重要的理论价值。     

上风向水平轴风力机塔影效应数值模拟

风力机塔架和叶片之间的相互作用是影响风力机气动性能的主要因素之一,本文以美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)的5MW风力机为研究对象,使用雷诺平均纳维-斯托克斯(Reynolds-Averaged Navier-Stokes,RANS)方程和剪切应力输运(Shear-Stress Transport,SST)k-ω湍流模型,采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法对三叶片上风向水平轴风力机开展了塔影效应的分析研究.为了得到更加精确的模拟结果,在模拟计算之前开展了网格无关性验证以及模型验证.模拟过程中使用了两种模型:带有塔架的风力机模型以及没有塔架的风轮模型,通过对两种模型的模拟研究得到了塔影效应对风力机气动特性的影响.同时,本文也开展了基于动量叶素理论的方法对塔影效应的研究,并且比较了这两种研究方法.结果表明:上风向水平轴风力机的塔影效应是非常明显的;塔影效应的存在使风力机气动荷载出现突变,对风力机叶片和塔架都会产生不利影响;塔影效应的存在对风力机气动荷载的平均值影响较小,使风轮的平均推力值下降0.46%、平均功率值下降0.87%.本文为进一步研究塔影效应对风力机气动特性的影响提供了一些参考.     

风力机组关键部件运动学与动力学仿真研究

以风力发电机组为研究对象,采用动量叶素理论计算叶片在不同风速下的气动载荷,在三维软件Solidworks中建立了叶片、轮毂、机舱和塔架等关键功能部件的三维模型,在Ansys中对叶片和塔架进行柔性化处理,生成叶片和塔架的MNF文件,建立了风力机组关键功能部件的ADAMS刚柔耦合多体系统动力学模型.将计算的载荷均匀加载到风力机组的叶片上,对风力机在风速由5 m/s变化到25 m/s的过程进行仿真,得到叶片和塔架的振动变形特性曲线.该仿真能够很好地模拟风力机的振动变形特性,为风力机的虚拟样机仿真提供了一种可行的方法.     

考虑叶片偏航和干扰效应大型风力机体系风振响应与稳定性分析

叶片偏航和干扰会显著改变大型风力机表面气动力分布模式,进而影响风力机体系的风振响应和稳定性能.以某5 MW大型风力机为研究对象,首先采用大涡模拟(LES)方法进行了最不利叶片位置下考虑6个偏航角(0°、5°、10°、20°、30°和45°)影响的风力机体系流场和气动力模拟,并与规范及国内外实测结果进行对比验证了大涡模拟的有效性.在此基础上,结合有限元方法系统分析了不同偏航角下风力机塔架-叶片耦合模型的动力特性、风振响应和稳定性能.结果表明:不同偏航角下塔架径向位移均值和均方差的最大值均出现在塔架环向0°和180°处,最大塔底弯矩均出现在环向20°处.0°偏航时各叶片顺风向位移响应极值均大于2.7 m,随着偏航角的增大,塔架顶部径向位移、叶片顺风向位移和叶片根部内力的均值及均方差均逐渐减小,而临界风速则呈现先减后增再减小的趋势.综合表明:0°偏航角下风力机体系气动性能和风振响应均最为不利,45°偏航角下风力机体系的稳定性能最为不利.     

下游塔架对水平轴风力机叶片气动负荷的作用

为了研究水平轴风力机叶轮与下游塔架之间的动静干涉作用,并将二者的相互作用简化为二维翼型与后置圆柱之间的气动干涉,通过数值模拟的方法分析了在翼型尾缘下游不同位置处放置的圆柱对叶片载荷的影响.研究结果表明,下游塔架对叶片载荷的影响主要与塔架直径和二者的相对位置有关.当叶片掠过圆柱塔架时,翼型上下表面的流速分布产生了明显的改变,进而造成气动载荷发生显著的变化,其变化幅度可以达到定常计算情况下的50%.该工作对风力机叶片的周期气动力疲劳寿命的评估提供了参考.     

基于GDW理论的风力发电机整机性能分析

由于所受工况瞬态多变且工作环境恶劣,所以风力发电机组是一个复杂、多变量、非线性的不确定系统,因此,整机性能分析是风力发电机系统设计的关键.引入了风力机的动态人流(GDW)理论,在Matlab中建立了600 kW失速型水平轴风力机的气动力,在Simulink传动系统的动力学仿真模型,模型中考虑了叶片的气弹耦合性,并在ADAMS中建立了包含柔性叶片和塔架的风力机整机虚拟样机模型,将三者联系起来建立了联合仿真模型.分析了风力机的功率系数、额定功率以及叶片与塔架的变形.与Bladed的分析计算结果相比较,结果证明了仿真方法及仿真模型的正确性.     

基于变速变桨距的MW级风力发电机组的建模研究

为了实现MW级海上风力发电机组受外荷载及机电作用耦合下的数值仿真,对风力机叶片、塔架等柔性体进行简化,在有限元软件中建立三维模型,并进行模态分析,在多体动力学软件下建立齿轮箱、轮毂及变桨机构的三维模型,并进行装配,使风力发电机组的几何特性、结构特征和装配关系保持不变,以便进一步研究塔架及叶片在耦合荷载作用下的动力响应。     

基于ANSYS的垂直轴风力机塔架的力学分析及结构优化

基于ANSYS对大型垂直轴风力机塔架进行静力学分析、动力学分析及结构优化。首先,根据风力机的功率确定塔架的大体尺寸;然后,对塔架进行静力分析,并对塔架承受最大载荷时的最大应变进行强度校核;对塔架的动力学分析包括有预应力的模态分析和地震谱响应分析。ANSYS优化主要是通过改变塔架的厚度提高其固有频率,避免因塔架在发电机的激励下共振而产生的破坏。对塔架的力学分析能够在满足力学性能的前提下使塔架的质量最轻,降低塔架的制造成本。     

分体安装

正建设好基础之后,接下来就可以安装风力机了。一台风力机很明显能够分为3部分:由3节钢管构成的塔架;安装在塔架上的机舱;由连接机舱的轮毂及与其相连的3支叶片组成的风轮。这些超重或超长的部件在安装时还需要在空中从水平位置变成垂直状态。它们之间是用螺栓连接的,风力机安装的要点就是要以毫米为精度对准螺栓,这在波涛汹涌的海上难以做到。为了解决这一困难,工程师们开发出分体安装与整体安装两种安装工艺。顾名思义,分体安装就是在海上分别安装各部     

基于APDL有限元法和正交试验的风力机塔架模态影响因素分析

为了对影响风力机塔架模态的因素有较全面而深入的认识,将有限元法中的APDL参数化语言与正交试验法相结合,对某大型风力机塔架进行两个方面的模态影响因素分析。结果表明,塔架直径、壁厚、顶部质量和地基刚度对塔架模态影响显著,塔底处的直径和壁厚的影响大于塔顶处的直径和壁厚的影响;塔架一阶频率与顶部质量呈线性递减关系,塔架一阶频率随地基刚度增加而增加,但增加的趋势逐渐减小;塔架底部门洞的有无对塔架模态的影响很小,可以忽略。本文研究的方法和结论可为风力机塔架的设计提供有效的理论参考。     

传递矩阵法在风力机塔架动力学分析中的应用

根据风力机圆筒型塔架和基础的结构特点,将塔筒简化为无质量梁单元和集中质量单元的组合,并将塔架基础简化为平动弹簧阻尼系统和扭簧扭阻系统的组合。使用传递矩阵法构建了风力机塔架及其基础的动力学分析模型。对某滩涂型风力机塔架进行了自振频率及振型分析,分析结果同测试结果和有线元结果基本相同。传递矩阵法相对于模态分析法和有限元法具有建模容易,计算速度快等优点,非常适合风力机塔架的结构动力学分析。     

大型风力机塔架地震动态响应分析与减振控制研究

本文应用ABAQUS有限元软件建立高度为73 m的风力机简化实体有限元模型,研究风力机塔架结构在不同地震荷载作用下的振动响应,并应用调谐质量阻尼减振技术对其振动进行控制.分析结果表明:风力机塔架结构在地震荷载作用下的动态响应具有随机性,塔架顶部最大动态响应多是发生在地震荷载作用的前期与中期,调谐质量阻尼减振技术应用于风力机塔架对地震荷载作用的振动有较好的控制效果.     

考虑中尺度台风效应的大型风力机体系气动性能分析

为系统研究台风作用下风力机体系的气动性能与风效应特性,引入考虑真实台风场强变异性和衰减效应的中尺度天气预报模式对台风"鹦鹉"进行高时空分辨率模拟.基于最小海平面气压追踪的台风中心路径与实测路径的对比结果,验证模拟的有效性.以中国东南沿海地区某风电厂5 MW水平轴风力机为对象,结合小尺度CFD大涡模拟技术对叶片单个旋转周期不同停机位置工况进行三维非定常数值模拟.结果表明,采用WRF模式可以有效模拟近地面台风风场,拟合的台风剖面指数为0.076.台风下叶片和塔架的脉动和极值风压系数显著增大,最大增幅达29%.台风作用下叶片与塔架完全重合时为最不利情况,旋转至上叶片完全重合时安全余度最大.     

中空钢管混凝土风力机塔架静动力特性研究

为了探索风力机塔架的新型结构形式,提出了中空钢管混凝土塔架技术,应用静动力数值计算验证其合理性和可靠性,建立了1.5MW的中空钢管混凝土新型风力机塔架的有限元模型,考虑不同的荷载工况,对该新型塔架和传统钢塔架进行静力和模态分析,比较了两者的计算结果,分析表明:该新型塔架具有良好的结构性能,塔架的侧移和应力有明显改善,可为该类塔架的结构设计提供参考.     

大型水平轴风力机多体系统的动力学分析与仿生设计

采用ANSYS建立了1.5 MW直驱风力机多体系统的动力学模型,计算了系统的固有频率,对系统的共振性和稳定性进行了分析,并探讨了在极端运行阵风下风力机系统各部件的瞬态响应振动.分析结果表明:塔架为柔塔,在正常工作转速下风力机能够安全、稳定运转;由于各个部件刚度不同,使得叶片叶尖振动较其它部件复杂,叶尖的振动是受风栽作用...     

基于时域法的不同塔架风力机抗台风分析

为探讨不同塔架形式风力机的抗台风性能,基于Abaqus有限元软件建立4种不同塔架形式的风力机一体化模型,用自回归(AR)法对脉动风时程进行模拟,分别进行了模态分析和台风时程分析.结果表明,风轮和机舱对风力机自振频率的影响较大;钢筋混凝土锥筒塔架的最大顺风向位移随台风风速的增加呈平缓线性增加趋势,而其他3种塔架的位移随风速的增加表现为非线性增加.钢管格构式塔架为轻型柔性结构,其风载响应最为显著,钢锥筒塔架次之,而钢筋混凝土塔架因具有较大的自重和刚度,其位移响应最小,抗风性能较好.     

柔性支承下风力机低速轴轴承疲劳寿命分析

随机风载荷和塔架的柔性支承容易使齿轮箱低速轴轴承受到复杂交变载荷,导致轴承疲劳损坏。为研究在柔性支承和变载荷下风力机齿轮箱低速轴轴承的疲劳寿命,文章建立柔性支承下风力机齿轮箱动力学模型,得出低速轴轴承动态载荷,并对轴承进行静力学分析。最后根据准静态学分析法,得到轴承应力谱,并基于Miner线性累积损伤法则对低速轴轴承的疲劳寿命进行估算。分析结果表明,滚动体与内圈接触区域的外侧倒角处接触应力最大,该最大接触应力结果与Hertz理论计算出的应力幅值结果较为一致;考虑塔架柔性支承下得到风力机低速轴轴承疲劳寿命小于其设计寿命,因此在风力机低速轴轴承设计时必须考虑塔架的柔性支承。     

柔性支承下风力机传动系统振动响应分析

针对风力机大型化发展,塔架的柔性支承特性对风力机齿轮传动系的非线性动力学问题,利用一维弹性连续体振动理论模拟塔架的振动响应,建立振动位移对时间和空间的动力学方式,求解得到大型风力机塔架在随机变载荷下的振动位移响应,全面综合考虑了齿面摩擦、齿轮时变啮合刚度及齿形综合误差等因素的影响,分析传递到齿轮箱系统动力学特性。分析结果表明塔架弹性支承对各齿轮系统各个方向的振动响应均有影响,其中各零件的轴向振动影响最大,振幅均值比刚性支承下的均值高19.5%~25.8%,这表明塔架的柔性支承对系统动力学分析及可靠性设计具有一定影响,为风力机齿轮箱的稳健性和结构优化设计奠定了基础。     

1.5MW风力机叶片设计与气动性能分析

叶片是风力机中最关键的部件,其气动性能决定风力机的风能利用效率。本文通过Glauert法设计1.5 MW水平轴风力机叶片,并利用FLuENT中的k-ωSST湍流模型,采用周期性边界,对叶片进行气动性能进行数值模拟。分析叶片桨距角固定的风力机在不同来流时风轮的转矩和轴向推力。研究表明:风轮在额定工况下,输出功率1 602 kW,风能利用系数达到0.325,满足设计要求;风速大于12 m/s时,可通过适当降低转速来维持风力机输出功率。