风机叶片结冰对其一体化结构动态响应影响的数值分析

基于美国可再生能源实验室的导管架式一体化海上风机模型,将计算流体力学(CFD)方法与风机一体化分析方法进行耦合,研究叶片结冰过程及其结冰后对风机整体动态性能的影响.首先将一体化分析得到的叶片运动姿态输入到CFD中,采用离散多相模型和融化-凝固模型进行三维风机叶片覆冰增长模拟,然后应用k-ε湍流模型计算结冰前后的气动性能,最后将叶片覆冰后的气动载荷结果返回到一体化分析方法中,分析叶片结冰对风机整体响应产生的影响.计算结果表明,叶片沿叶展方向结冰呈线性增加,结冰主要集中在叶片前缘,叶尖处积冰最厚;覆冰后叶片各剖面翼型升力系数降低、阻力系数升高.叶片结冰会降低整机功率、转子的转矩和转速,叶尖和塔顶产生额外振动响应,风机达到额定功率所需风速增大.     

覆冰条件下旋转风力机叶片振动特性及其影响因素分析

为探究覆冰条件下旋转风力机叶片振动特性,分析温度、湿度、风速、运行时间四个因素对覆冰叶片振动特性的影响,以1:12.5建立的实体风力机模型为研究对象,搭建旋转风力机叶片覆冰振动测试试验台,设计四因素三水平正交试验,采用环境激励(风激励)和多点拾振的方法进行模态测试。试验研究了不同覆冰状态下旋转风力机叶片的振动特性及其变化规律;以最大振动频率为评价指标,分析四个因素对覆冰风力机叶片振动特性的影响。结果表明:相同覆冰条件下,覆冰厚度不变,旋转风力机叶片振动频率由叶尖至叶根逐渐减小;覆冰位置不变,覆冰厚度增加,旋转风力机叶片振动频率逐渐降低;旋转风力机叶片运行环境温度和湿度变化对其振动频率的影响较大。为进一步分析覆冰条件下旋转风力机叶片的位移响应和振型变化,建立了风力机三维模型,利用ANSYS软件对其进行谐响应分析,分析结果显示不同覆冰状态下叶片振型变化无明显差异,覆冰厚度增加,叶片位移响应值明显增大。研究结果可为覆冰条件下风力机运维策略选择及叶片覆冰安全监测提供理论参考。     

采油平台在海上风电支撑体系中的应用研究

海上风电安装和并网成本是制约其发展的行业瓶颈之一.现有油气田的海洋平台有经济并网条件和改造成风电支撑结构的技术可能性.本文通过比较采油平台和风电格构式支撑组成的两种结构体系的动力性质,分析了固有频率约束限制对风电支撑结构改造的影响,以及环境荷载引起的荷载效应在两种体系上的不同分配机理.考虑环境荷载动力放大性质,通过风机额定运转与特定海区浪流荷载组合作用下两种支撑结构体系的刚度和强度特点分析,给出了风电支撑结构的受力特点和利用采油平台作为风电支撑结构的注意事项.该结论可作为海上类似风电支撑结构的设计参考.     

地震作用下固定式海上风机动力模型试验及耦合数值研究

海上风机是复杂环境荷载作用下多自由度复杂结构体系．为揭示环境荷载、转子机舱组件及支撑系统之间相互作用对海上风机结构运动响应的影响,建立水动力和结构弹性联合相似准则、气动力的牛顿相似准则,开展了地震、风、波流联合作用下海上风机整体结构动力模型试验,验证了风浪等环境荷载对于地震作用下五桩基础海上风机结构响应的影响．基于FAST v8推导并建立了地震、风、波浪联合作用下海上风机整体耦合数值仿真模型,揭示了该工况下海上风机结构响应的耦合特性,同时发现停机保护策略并不能有效降低海上风机结构地震响应．进一步,探讨了调谐质量阻尼器对海上风机在地震组合工况下的振动控制效果．     

风力机叶片表面覆冰影响因素分析

我国低温高海拔地区的风能资源十分丰富，风力机在该环境下运行时会产生叶片表面覆冰现象，不仅降低风力机的发电效率，严重时会影响结构安全性能.采用Fluent与FENSAP-ICE相结合的方法对风力机叶片表面覆冰问题进行数值模拟分析，明确环境温度、来流速度、水滴等主要环境因素影响下叶片表面覆冰发展规律.结果表明，环境温度从-5℃降低到-20℃的过程中，覆冰质量随温度的降低呈线性增长，增长幅度约为0.74 kg/℃;当温度继续降低时，覆冰质量增长幅度降低为0.228 kg/℃.来流速度、空气中水含量(LWC)与水滴直径(MVD)的增加均使覆冰质量呈线性提高，覆冰质量增长幅度分别约为0.236 kg·s/m、8.529 kg·m³/g、0.512 kg/μm.降低环境温度、增大来流速度和LWC会增加叶片覆冰面积，但增大MVD会使覆冰面积减小.     

海上风机结构振动监测试验与特性分析

以某海上风电试验样机为研究对象,基于现场原型观测获取整体风机结构在停机、正常运行、开(停)机及台风工况下的振动响应数据,系统地分析海上风机结构在不同运行状态下的振动响应时频域特性与变化规律,探讨影响海上风机结构振动的关键因素及其对风机振动安全性的影响规律.结果表明:在风机处于停机状态下,结构振动随环境风速的增加而显著增大;而运行状态时,叶轮转速对结构振动影响效应明显,对振动变化起到主导作用.海上风机在开(停)机过渡过程中振动显著大于正常运行状态,台风期风机在额定转速运行时的振动超过实测最大风速时停机工况的响应.塔筒顶部与基础顶部振动响应同步性说明整体风机具有很好的变形协调性.     

浮冰作用下单桩海上风机动力响应分析

随着海上风电在环渤海地区不断发展，冰激振动响应为当前环渤海地区海上风机面临的重要问题 .基于海上风机一体化数值分析软件，对浮冰作用下单桩海上风机动力学响应展开研究 .重点探究单桩风机塔基以及泥面线处载荷动力响应变化规律，研究不同冰载数值模型、冰厚以及冰速对单桩海上风机动力响应影响，开展抗冰锥结构下单桩海上风机动力响应影响规律.结果表明：不同冰载数值计算模型下的计算结果差别较大，采用Matlock双齿模型计算出的塔基载荷以及泥面线载荷最大，分别为无浮冰作用的 2.2倍与 1.3倍；单桩海上风机动力响应随冰厚增加而增加，冰速变化对单桩海上风机结构荷载影响不明显；采用抗冰锥措施后，作用于单桩海上风机的冰荷载显著降低，极大降低单桩风机塔基以及泥面线位置处的剪力与弯矩，塔基位置处剪力与弯矩的最大值分别为无抗冰锥结构的82%与95%.同时抗冰锥结构可极大降低作用结构上的冰荷载，其冰载最大值与标准差分别为不采用抗冰锥结构的5%与7%.     

覆冰条件下酒杯型输电塔动力特性分析

覆冰环境中的输电线路对气候条件敏感,在极端天气条件下易发生倒塔事故.与其他结构不同,输电铁塔结构在不同的气象条件下,动力特性表现出较大的差别.以西南地区某500 kV大跨越酒杯型直线塔为研究对象,分析在是否考虑导线重量,不同覆冰厚度,是否考虑覆冰刚度的情况下,铁塔结构的动力特性.研究结果表明：铁塔覆冰对结构动力特性影响较大,不可忽略;当覆冰厚度较大时,可考虑覆冰对结构刚度的贡献.此结论可为高海拔地区的类似铁塔分析设计提供参考.     

单桩基础弱化对海上风机动力响应的影响

为研究海上风机在基础弱化条件下的动力响应特性以及基础刚度对其动力响应的影响,以某单桩基础的海上风机为例,建立考虑基础刚度弱化的海上风机动力分析模型,进行不同基础刚度条件下风机的整体动力响应分析。研究结果表明：基础刚度降低,对上部结构的约束作用减弱,结构的自振频率随基础刚度降低而减小,逐渐接近风机1P频率,增大结构共振风险;泥面和塔底处的水平位移受基础刚度影响较大,而塔顶水平位移对基础刚度变化不敏感;基础刚度降低会轻微增大极限弯矩荷载,但会较明显地增大塔底疲劳荷载,导致对结构疲劳的不利影响;风机紧急停机会产生更剧烈的结构响应,并且基础刚度降低会加剧这一现象。     

海上风电基础冲刷动力特性及在线监测

海上风电由于其风资源条件好，不受占地条件约束等优点，在全球能源战略中的地位不断提升。海上风电基础广泛存在冲刷问题，冲刷会导致基础承载力下降、结构固有频率变化和海底输电管缆暴露等风险，因此对基础冲刷的监测和预警至关重要。该文首先分析了基础冲刷的动力特性，建立了风机-塔筒-基础一体化仿真模型，研究了基础冲刷深度与基础固有频率的相关关系，并分析了冲刷对结构动力响应的影响；其次提出了基础冲刷低频振动监测方法，并研发了一套海上风电基础冲刷低频振动监测系统。通过该系统在江苏某海上风电场的运用实例分析，探讨了未来基础冲刷监测的改进方向，研究成果可为国内外海上风电工程提供参考。     

风力发电机叶片覆冰状况及防冰除冰措施

适用于寒冷气候条件的风力发电机研究已成为可再生能源领域广为重视的方向。针对环境因素、翼型、风机型号和运行状态等多因素协同作用下的叶片覆冰特性,依据能量分配理论和叶片表面温升特性,论述了主动防冰除冰技术的结构、热载荷分布以及能量传递方式。被动防冰除冰技术中,具有水滴自去除效应的涂层优势显著,依据涂层的防冰机理、导热导电性和化学稳定性等方面,论证其应用在风力发电机叶片上的可行性。最后,防冰涂层与电加热结合构成的复合防冰除冰结构,能够有效降低能耗、减少回流水结冰,但在涂层表面润湿性转变、导热率和耐久性等方面的研究尚存在一定的争议,将是未来主要的研究方向。     

不同覆冰状态下导线风致振动响应仿真

为研究动态风载作用下不同覆冰状态下输电导线的动力响应,利用谐波叠加法模拟多点相关的脉动风速时程曲线,得到不同覆冰形式下的风荷载,建立导线有限元模型,对不同覆冰状态下输电导线各特征参数和风速的相关性,并对导线振动特性以及动张力特性进行分析。结果表明：在随机风作用下,不均匀覆冰对风速的相关性最强;相同风速下,覆冰厚度和覆冰形式对导线振动特性影响不大;均匀覆冰时,导线张力峰值在15 mm覆冰时达到最大,张力峰值为69 180.4 N;不均匀覆冰状态下,中央重覆冰对导线张力的影响强于两侧重覆冰。     

风扇叶片结冰对航空发动机不平衡响应影响研究

航空发动机风扇叶片结冰对转子不平衡具有显著的影响;并导致发动机推力的损失。针对风扇叶片结冰对转子不平衡的影响问题,采用结冰软件详细分析了商用航空发动机风扇叶片结冰情况。基于隐式动力学模型研究了风扇叶片结冰引起的整机转子不平衡。通过整机有限元模型研究了风扇叶片结冰对不同支撑轴承载荷和位移的影响;进一步研究了不平衡条件下转子和静子的间隙。研究结果表明风扇叶片结冰质量的最大工况为地面慢车状态,对一号轴承和二号轴承有一定的影响。提出的分析方法可以为风扇叶片防冰设计和验证提供指导。     

大型风电长叶片气动外形的高效低载三维设计

海上风力机等大型风电设备叶片较长，所承受气动载荷较大，易产生变形，影响气动性能和运行稳定性。针对这一问题，以美国NREL实验室的5 MW大型风电叶片为例，对其进行以各截面翼型形线、安装角及额定功率下桨距角为设计变量的高效低载三维优化。优化基于动量叶素理论和多岛遗传算法，以叶根弯矩最低和风能利用率最大为优化目标，并将优化叶片与原始叶片于变桨、变风况下的气动性能进行对比。结果表明：在设计工况下，相较于原始叶片，优化叶片在保证高气动效率的同时叶根弯矩降低了5%；变风况条件下，变桨前优化叶片的风能利用率平均提升了1%，叶根弯矩平均降低了5.8%，变桨后优化叶片的叶根弯矩平均降低了4%。     

不同风速下风力机叶片的振动特性研究

针对风力机叶片在正常工况下运行时受到周期性的气动力导致叶片发生振动,降低叶片使用寿命的情况,研究了风力机叶片在不同风速下的振动特性。选取不同风速条件下的5种工况 (风速范围为15~40 m/s),选用CFD方法对NREL PHASE VI叶片进行模拟计算,获取不同风速下的振型和振动位移曲线。结果表明：叶片的主要振型是挥舞和摆振,高阶叶片振型存在着弯曲和扭转组合的复杂变形;来流速度从15 m/s增大到40 m/s时,叶片吸力面的压力分布不均匀性不断提高,来流速度为40 m/s时最大压力差值约达到3 000 Pa;来流速度为15 m/s时振幅最小为0.525 4 mm,来流速度为40 m/s时振幅最大,为3.628 2 mm,约是最小振幅的6.9倍;5种工况的振动曲线均呈现衰减趋势,叶片趋于稳定振动;当来流风速越大时,由来流风所产生的气动力对叶片的作用力越大,叶片的振幅呈现增大的趋势。研究结果可为风力机设计提供参考。     

硬涂层对镍基高温合金叶片的振动特性影响

为了保障高温合金叶片在极端环境下安全工作,通常在叶片表面涂敷一层硬涂层以改善其抗冲刷和耐高温等性能。本文开展硬涂层高温合金叶片的振动特性研究,建立考虑涂层各向异性的叶片有限元模型。通过对叶片进行模态分析计算硬涂层叶片的固有频率,采用谐响应分析研究其振动位移响应,并绘制坎贝尔图进行共振特性分析,最终获得了硬涂层厚度及涂敷方式对高温合金叶片振动特性的影响规律。结果表明,硬涂层能够显著降低叶片响应峰值,最大达到36.8%;在叶片工作转速附近,共振点由3 个减为2 个。可见硬涂层对高温合金叶片具有明显的减振效果。     

MW级复合材料风电叶片的振动特性与应力分布

针对目前风电叶片有限元模型存在铺层不合理的问题,以某1.5 MW风电叶片为研究对象,利用Solidworks软件生成叶片三维模型;再将其导入大型有限元软件Abaqus中,按照叶片铺层理论进行分区域铺层,生成叶片有限元模型,使其更接近叶片的真实铺层状况;在有限元数值计算中,分析了叶片的振动特性以及在50 m/s的极限风速下的应力分布特征.结果表明,叶片模型在模态、强度、刚度三个方面均满足设计要求,叶片的危险截面位于距叶尖约13处,应力主要分布于叶片展向的13~23处,且主要承载结构为主梁和腹板.     

海上风电工程结构与地基的关键力学问题

作为一种新型清洁能源,海上风力发电受到人们的广泛关注,近十年发展迅猛．海上风电结构既不同于陆上风电结构,也区别于传统的海洋平台,既要考虑风对风机、塔架的作用,也要考虑波、浪、流、冰对水下支撑结构和地基的作用,还要考虑高倾覆力矩作用下地基的变形和承载力．然而,与之相关的水动力学、土力学、结构动力学及流．固一土耦合力学等的现有理论,还远不能满足工程设计和建设的需求,亟待发展．本文在阐述海上风电工程发展现状、结构形式与特征的基础上,重点阐述有关海上风电结构（包括固定式和浮式）的耦合水动力载荷与响应、地基的动力响应与承载特性的研究发展趋势,从水动力学、土力学和结构动力学的角度,凝练其中亟待开展深入研究的关键科学问题,包括：近海复杂海洋环境条件、海上风机系统的耦合水动力载荷、支撑结构和地基的动力响应等,并据此提出近期研究的发展方向,为从事海上风电工程研究和建设的科技人员提供参考．