气动力和离心力载荷对风力机叶片结构特性影响

采用雷诺平均NS方程和标准k-ε湍流模型,在不同风速和转速下对某风力机叶片基于Workbench进行了单向流固耦合数值模拟,分别分析了气动力载荷和离心力载荷对风力机叶片功率及风力机叶片结构特性的影响。结果表明:相对于气动力载荷,风力机叶片离心力载荷对风力机叶片结构特性的影响较大。     

风力机旋转叶片的刚柔耦合动力学响应特性分析

为获得风力机风轮在时变载荷作用下的动力学响应规律,在将轮毂假设为刚性圆盘和叶片假设为柔性悬臂梁的基础上,考虑剪切应变对叶片引起的附加位移、叶片的旋转运动与弹性变形间的耦合及离心力的作用,运用Hamilton原理建立了旋转叶片子系统的非线性动力学模型.以河西地区某风场1.2 MW风电机组为例,采用有限元法和Newmark数值积分法对其叶片在时变载荷作用下的动态响应进行了计算.结果表明:考虑剪切变形影响时得到的叶片振动幅值比不考虑剪切变形影响时会平均增大约7.5%;在考虑叶片的旋转运动与弹性变形间的耦合作用时,离心力对叶片振动动态特性的影响将会被弱化.     

离心压缩机叶轮叶片疲劳断裂故障的数值分析

采用有限元方法计算了离心压缩机叶轮叶片的前14阶模态和离心力作用下的静应力,并采用单向流固耦合方法计算了叶轮叶片在非定常气动力载荷下的等效交变应力．为了节省计算成本,离心叶轮采用满足循环对称条件的单扇区模型．计算结果表明：非定常气动力载荷的主频率落入叶轮叶片第6阶固有频率的共振区,导致在叶轮叶片的前缘附近区域形成局部共振,使该区域的等效应力最大;离心叶轮叶片在离心力和非定常气动力共同作用下形成的交变应力小于工作条件下的屈服应力,不会形成叶片的塑性破坏,但交变载荷的长期作用导致了叶片前缘区域的高周疲劳破坏．预测的叶片应力集中位置和实际断裂位置一致,表明了该方法在工程实践中的有效性．     

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.     

变风速下风力机叶片载荷特性研究

根据风力机的气动理论,并考虑风切变和风力机结构、几何参数的影响,建立了风力机叶片的气动载荷计算模型。以基本风速、渐变风速、阵风风速和脉动风速4种风速类型建立了变风速模型,并应用于叶片载荷计算模型,实现变风速下的叶片气动载荷的计算。以某MW级风力机为对象,给出了数值计算流程并进行了实例计算,结果显示:风力机叶片的气动载荷主要分布在叶片的中段和叶尖,且载荷大小随风速起伏变化,叶根的气动载荷随风速变化的趋势不明显,风速较大时,叶片上的载荷波动较为显著。结果可为叶片的结构设计和动力学分析提供参考。     

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.     

风力机叶片与整机的预应力振动模态分析

为了研究10 kW水平轴风力机叶片及整机的振动情况,通过建立其模态分析计算模型和预应力模态分析计算模型的方法,对旋转叶片施加风载荷和旋转离心力,在完成网格划分、载荷与约束条件的添加后,进行了预应力下的振动模态分析,并将几种工况下的固有频率进行了对比并得出结论.结果表明：仅有风载荷工况时,叶片和整机的固有频率基本没有变化;当同时有风载荷和旋转离心力时,随着风速的增加,固有频率有比较明显的增加,但当风速达到一定程度时,不再发生变化.     

基于流固耦合的风力机预应力模态分析

以某1.5 MW水平轴风力机风轮为研究对象,考虑风轮旋转气动力和结构的流固耦合效应,运用ANSYS Workbench有限元分析软件,计算出不同风速时风轮旋转气动力与结构流固耦合作用下的压力.将压力作为输入载荷对风轮结构进行静力学分析,进而转换为预应力条件下的模态分析.结果表明:风力机运行时,叶尖处的变形最大,叶片上距离叶根3/4段处和叶根部有明显的应力集中;最大应力在额定风速以前随着风速的增大而增大,额定风速以后变化较小;叶片最大变形量随着风速的增大而增大;旋转效应使得风轮各阶模态所对应的频率增大.     

极端运行阵风下风力机的气动特性

基于CFD方法,通过对比均匀来流和极端运行阵风条件下1.5 MW水平轴风力机的非定常气动特性,研究了极端运行阵风对风力机气动性能的影响规律.结果表明:极端运行阵风对风力机的气动特性影响较大,转矩与法向力、切向力系数的最大值较风速最大值的出现有所提前,较高风速下叶片失速造成风力机的转矩和气动力系数随风速的增大而减小.从紊流向层流的恢复阶段,流动的不稳定性使法向力、切向力系数在减小的过程出现振荡.     

风力机翼型非定常气动力分析(英文)

基于状态空间描述的Beddoes-Leishman动态失速模型,对风力机翼型进行非定常气动力分析.考虑到风力机翼型工作时的实际情况,在模型中忽略了可压缩性效应和起始于翼型前缘的流动分离.模型考虑了气流的近尾流效应和在失速区域的后缘分离效应.模型用4个气动状态来描述非定常气动力系数动力学,其中两个用于描述近尾流效应中的时间迟滞,另两个用于描述后缘分离效应.采用模型对做简谐变桨运动的FFA-W3-241风力机专用翼型进行了非定常气动力分析.数值计算结果与实验值吻合良好,说明模型能较好地描述风力机翼型的非定常气动特性.将动态失速数值计算模块与已有的风力机气动与结构分析软件集成,利用软件对一台1.5MW变速变桨距风力机的发电工况进行了仿真.仿真结果表明,翼型的非定常气动特性对动态载荷计算结果影响很大,因此在风力机的设计过程中应该予以充分考虑.     

中型玻璃纤维风电叶片静力失效特性分析

风力机叶片的失效特性分析是保障风力机整机稳定性及其可靠性分析的重要基础。对中国科学院工程热物理研究所研发的100kW中型实验叶片进行了有限元仿真及全尺寸静力实验研究,得出了叶片在不同载荷条件下的挠度特性,重点研究了叶片在大载荷条件下摆振方向的失效特性,结合实验数据及有限元仿真结果对失效危险区域及失效机理进行深入分析,最后确定叶片发生断裂失效原因为大载荷引起的剪切应力造成的纤维层间失效,以及相应引起的树脂材料的连续性退化。     

偏航条件下大型风机的流固耦合分析

流固耦合条件下叶片变形和振动的分析对于大型叶片的安全至关重要。基于叶素动量理论和Euler-Bernoulli梁的有限元建立大型风机双向流固耦合数值模型,用偏航修正、叶尖轮毂的非定常叶素动量理论计算风力机的气动载荷;通过2结点12自由度空间梁单元作为结构动力分析的基本模型,结合两套理论建立可以快速分析风力机叶片流固耦合作用下的输出特性和振动特性。通过对NREL 5 MW大型风力机计算的对比和分析,验证了方法的可行性并得到在流固耦合作用下风力机输出特性曲线和叶片结构变形。证明在风力机叶轮工作状态叶片发生振动,而且在偏航情况下,叶轮的功率输出和推力输出产生周期性波动。     

基于流固耦合的风力发电机结构特性分析

风力机结构尺寸的增大会导致气动载荷效应的作用更加明显,因此,采用流固耦合分析技术来研究气动载荷效应对风力发电机结构的影响。采用ANSYS Workbench软件搭建了流固耦合分析系统,经过流固耦合分析得到了不同风速下风力机周围气流分布规律、风力机表面压力分布规律、风力机变形和应力分布规律、风速与风力机叶片应力和变形之间的波动规律;仿真分析了考虑流固耦合与不考虑流固耦合两种情况下风力机的模态振型,为风力发电机的结构设计提供一定的理论参考。     

风力机叶片寿命损耗计算方法与工程应用

针对风力机叶片载荷仿真模拟时不同载荷造成寿命损耗比例不明确的问题,通过将风力机叶片沿翼展方向等效为一定厚度的空心等腰梯形,分析了风力机叶片在不同载荷下的频率特性。结合Miner寿命损耗计算法则,定量计算出风力机叶片在各载荷下的寿命损耗大小。研究结果表明,气动载荷所引起的寿命损耗占风力机叶片全寿命周期损耗的比例最大,重力载荷所引起的寿命损耗占全寿命周期的比例较小。     

考虑气动弹性的风力机叶片分析

运用修正的叶素-动量理论和有限元方法,建立了一种全新的考虑气动弹性的风力机叶片性能分析方法.运用该方法,在多种风速工况下对某850 k W风力机叶片的性能进行了计算,结果表明:对于大功率风力机,在大风速大载荷工况下,气动弹性对风轮性能有明显的影响,使叶片偏离原设计值.该方法的运用对于叶片的气动设计、载荷计算和结构设计有实际指导意义.     

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.     

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.     

MEXICO风力机整机流场与载荷特性分析

采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法对MEXICO(Model EXperiment In Controlled c Onditions)风力机模型非偏航工况下的流场和载荷特性进行稳态数值模拟研究.采用周向平均方法取出计算得到的流速的轴向、径向和切向分量,并分别将其与试验值进行对比分析,计算值和试验值吻合较好,计算结果可靠.从叶片截面周围流线和叶片表面压力分布两个角度确定了叶片表面流动分离的位置,随半径增大分离点位置向后缘移动.对叶轮尾流中涡量分布的分析表明,3个叶片通道的涡量分布近似对称,尾流中涡量逐渐衰减,稳态模拟中塔架对尾流流动影响较小.此外还分析了叶轮叶片所受载荷,得到了载荷沿径向分布规律,载荷特性可为风力机气弹性能分析提供依据.     

考虑耦合效应的水平轴风力机有限元建模与变形行为分析

为实现对风力机结构变形的实时求解、分析风力机控制过程对结构的影响,构建了考虑风力机气弹耦合效应的有限元模型.模型充分考虑了风力机诸如主轴倾角、风轮预装锥角以及变桨和偏航机构的结构特点.本文分析了离心软化,应力刚化以及风力机控制过程对风力机结构的影响,并对风力机结构问题的求解方法进行了对比研究.结果表明:应使用LDLt方法求解由风力机塔根与叶尖刚度巨大差异所引起的病态问题;应力刚化效应对风力机叶尖变形量及拍打模态的频率有较大影响;本文模型很好地模拟了风力机受阶跃载荷时的旋转动态非线性变形,并模拟了变桨过程引起的风力机叶片拍打方向的刚度增大.     

基于翼型内部结构的风力机叶片动力学特性有限元分析

基于ANSYS Workbench软件,对翼型内部结构为单腹板和双腹板的风力机叶片进行了模态、应力和应变分析,获得了叶片前6阶振动频率、应力分布云图和叶片变形云图。研究结果表明,在静频情况下,单腹板结构的一阶振动频率为4.052 7Hz,双腹板结构为4.048 6Hz,且单腹板结构的各阶固有频率均比双腹板结构略大;在转速作用下,单腹板结构的第一阶振动频率增加了0.164 4 Hz,双腹板结构增加了0.162 9Hz,单/双腹板风力机叶片振动频率的变化规律受转速影响的差异很小;在相同载荷作用下,单/双腹板结构的最大应力分别为127.77 MPa和124.21 MPa,单/双腹板结构的叶尖挠度分别为378.16 mm和347.54mm,故双腹板风力机叶片的力学性能要优于单腹板风力机叶片。