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.     

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。     

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.     

海浪作用下的风力发电机组总体性能仿真

为研究海上风力发电机组在复杂多变且环境恶劣影响下整机的工作性能,使用仿真技术进行模拟分析.采用GDW动态入流理论进行风力机气动载荷计算分析,Airy线性波理论进行波浪载荷计算分析,建立风力机传动系统的MATLAB/simulink数学模型及ADAMS多柔体动力学模型,并将MATLAB/simulink控制系统模型同ADAMS进行风力机系统总体性能的联合仿真.对某厂家5 MW海上风力发电机的仿真数据同Bladed软件结果比较表明,该联合仿真方法可以较好地模拟风力机的总体性能.     

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。     

鹦鹉螺等角螺线型风力机数值模拟及建筑扰流分析

为了提高风力机组的整体性能,解决风力机在实际运行中受建筑物影响的问题,利用仿真分析软件Fluent对不同叶片数的新型鹦鹉螺等角螺线型风力机进行气动性能研究,建立建筑物与风力机组排布模型,分析建筑物扰流特性,对比扰流环境对风力机组转矩性能的影响。结果表明：3个叶片风力机的整体性能更优;建筑物下游出现紊流区域,切向速度明显增加,其附近的新型鹦鹉螺等角螺线型风力机组转矩性能明显提升,验证了建筑物附近安装鹦鹉螺等角螺线型风力机组的可行性。所提风力机组排布方式可有效提升风力机性能,为风力机结构优化设计和建筑物附近风力机排布提供参考。     

水平轴风力机的设计与流场特性数值预测

选用NACA44XX系列翼型,用基于叶素-动量理论的威尔森(Wilson)方法设计一模型风轮.考虑塔架机舱对流场特性的影响,合理地建立整机流动模型.在FLUENT软件中采用大涡模拟方法对该定桨距型的风力机进行三维绕流场的数值预测,得到流动细节与变形的螺旋形尾涡系.分析定桨距风力机的工作特点,并对尾涡变形原因做定性分析.结果表明:粘性耗散与塔架效应是引起尾涡变形的主要原因.     

涡流发生器布置位置对小型垂直轴风力机气动性能的影响

为提高垂直轴风力机的气动性能,针对小型双叶片H型垂直轴风力机,提出3种涡流发生器在叶片表面安装位置方案。建立风力机整机仿真模型并进行了网格独立性验证。利用ANYSY FLUENT软件对垂直轴风力机进行三维流体力学仿真研究。研究结果表明:在上风区叶片内表面和下风区叶片外表面加装涡流发生器均可提高叶片的转矩系数,但分析流场显示下风区流场紊乱,下风区叶片外表面加装涡流发生器提升效果变差。3种方案中,叶片内外表面加装涡流发生器时垂直轴风力机风能利用率C_P提升效果最好,与原型风力机相比C_P提升6.4%。     

失速型风力发电机系统振动仿真分析

采用叶素动量理论进行风力机气动力学的计算分析,并对风轮和塔架进行了有限元模态分析,建立风力机ADAMS柔性多体动力学仿真模型,并在MATLAB/Simulink环境下建立风力机传动链的数学模型,同时进行传动链系统的编程运算,充分考虑了气弹耦合特性以及传动系统的影响,最终实现在MATLAB/Simulink和ADAMS基础上对风力机系统振动性能的联合仿真.仿真数据同国际有名的风力机分析软件Bladed计算数据比较表明,该联合仿真方法可以较好地模拟风力机的振动特性.     

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.     

风力发电结构有限元建模及其地震响应分析

为研究不同精细程度的风力发电结构有限元模型在不同分析目的下的适用性,基于2MW三桨叶水平轴风力发电机,采用有限元软件ANSYS建立七种不同精细程度的风力发电结构有限元模型,以风力发电结构地震响应分析为例,得到各模型的响应结果,分别从变形、内力、应力以及应力集中四个方面分析各个模型的计算结果.研究结果表明:在计算风力发电结构的变形时,由于上部机舱及叶片对其影响较小,采用低阶单元即可得到较好的模拟结果;在计算塔底截面剪力和截面弯矩时,考虑机舱及叶片的有限元模型得到的结果较为精确,单元选择时需采用高阶实体单元;不考虑叶片、轮毂以及机舱得到的塔筒截面应力离散性较大,采用壳单元可较好地模拟塔筒截面应力;叶片、机舱等上部结构对门洞局部产生的应力集中影响较大,在计算时建议应用塔筒采用壳单元、门洞局部采用实体单元的多尺度模型进行模拟.     

海、陆两用风力发电实验平台设计

在风电场通过现场测试分析研究风力机性能由于受到现场环境的限制,能够获得的研究数据有限,室内模拟实验平台能够有效弥补研究不足.为此提出了一种海、陆两用风力发电实验平台方案.该实验平台由来风装置、风轮、发电机、两段式塔架、漂浮台、波浪产生装置、传感检测和数据采集系统等构成.在实验平台整体方案基础上,进行了结构参数设计,建立了漂浮台受力分析模型并获得了合理的结构参数,以Lab VIEW为开发环境设计了上位机运行状态监控系统.最后,基于构建的实验平台,开展了部分风力机动态特性研究工作,对比分析了模拟陆地风力机和海上漂浮式风力机时塔架振动特性,为进一步深入开展风力机动态特性研究提供了基础.     

水平轴风力机风轮叶片优化设计模型研究

提出了风力机风轮叶片的优化设计模型,该模型考虑了风场风速的概率分布,以风力机年能量输出最大为设计目标,使用遗传算法进行搜索寻优.利用开发的优化设计程序,设计了1.3 MW风力机的叶片.与已有风力机相比,设计结果显示了明显的优越性,从而说明了该优化设计模型的有效性和实用性.     

风力发电机耦合转子/机舱/塔架的气弹响应

发展了一种理论方法的计算程序 ,研究耦合转子 /机舱 /塔架系统气弹响应问题。利用以 Hamilton原理为基础的有限元法 ,应用 5节点 18自由度和 2节点 12自由度的梁单元模型分别离散桨叶和塔架。机舱简化为刚体 ,具有刚体一般运动。风模型为 2维拟定常风。采用子空间迭代法求解桨叶、机舱和塔架动力学方程。其中 ,桨叶非线性动力学方程具有周期时变系数 ,求解采用拟线性法。计算结果表明 :工作转速下风机能够安全、稳定运转。转子转速远远高于工作转速时 ,系统发生共振失稳     

复杂海况下风力发电机建模与动态特性仿真分析

考虑到海上风力发电机可能会受到冰载荷的影响,将随机冰力函数模型添加到风力发电机模型中,利用莫里森方程模拟海浪作用,建立复杂海况下多体动力学联合仿真模型,进行多场耦合作用下的风力机动力学特性分析,以此评估风力机系统在复杂工况下的运行风险。结果表明:风力机塔顶位移的波动主要受风载的影响;波浪、海冰对塔基载荷性能影响较大,会使塔筒产生持续振动并引发疲劳破坏,风冰联合作用时振动更为剧烈;由于海冰的持续撞击作用会使塔基载荷普遍大于无海冰作用情形,因此,针对海冰工况下风力发电机的设计要有所修正及完善。     

基于物理机制的风力发电高塔系统风场模拟

为了准确确定作用于桨叶和塔体的风荷载,研究了基于物理机制的风力发电高塔系统风场模拟问题.依据随机过程的随机函数描述,提出了基于物理机制的旋转Fourier互谱,有效地考虑了桨叶旋转效应和桨叶上不同点风速之间的相关性.然后,对旋转Fourier谱(随机Fourier谱)作逆Fourier变换,实现了桨叶(塔体)的风场模拟.最后,结合典型的1.25 MW三桨叶变桨距风力发电高塔系统,进行了纵向风速场数值仿真研究.算例表明,该算法可以准确地模拟给定风环境的风力发电高塔系统脉动风速时程.     

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.     

兆瓦级风电机组传动链动态特性分析

由于风力发电机组安装在柔性支撑塔架上,传动链承受着变风向、变载等恶劣工况,其故障率一直较高,成为风电发展的瓶颈。研究考虑风机塔筒摆动与传动链扭转振动的耦合效应,利用集中参数法建立基于柔性支撑的兆瓦级风机传动链耦合动力学分析模型,开展兆瓦级风电机组传动链动态特性研究,揭示其动态特征及变化规律,利用坎贝尔图对潜在共振点进行分析,得到切入转速与传动链之间潜在共振频率。基于Simpack有限元法对传动链动态特性进行分析,验证分析方法的正确性。