基于等效刚度法优化的风力机叶片刚度计算

风力机叶片刚度由于非线性且截面变化程度大的特点,针对叶片建模初期刚度的评估问题通常采用刚度展项分布图体现叶片刚度,存在评估叶片刚度的参考参数不够直接、宏观的问题。基于变刚度梁挠度计算的等效刚度法,将叶片等效成变截面悬臂梁,根据叶片特征合理选取边界条件,以叶片建模的截面数据特点为基础,优化原始等效刚度法的计算方式,使该方法更加贴合叶片模型,从而适用于叶片,达到方法优化的目的。利用ANSYS有限元软件进行叶片的预应力模拟实验,得出叶片的挠度模拟数值,以该模拟计算的挠度值为参考,验证优化后方法的有效性。结果表明:优化后的等效刚度法得到的刚度值,在低均布载荷值22.5 Pa下理论计算的挠度值与试验挠度值的误差达到9.68%,减小原始方法计算的误差贴近叶片模型,可用于叶片刚度估算,为叶片的刚度计算提供新方法。

风力机风轮低频振动特性的实验模态研究

利用国际上先进的PULSE16.1结构振动分析系统,对4个风力机风轮进行模态测试,发现风轮在挂机状态下,低频时存在轴向窜动效应和圆盘效应两种普遍存在的振动方式。振动发生时叶根处分别伴随着往复式和回转式剪切应力,影响到风力机的安全稳定运行和寿命。同时,利用挂机实验对比证明了通常采取的风轮通过夹具安装后在平面上进行模态实验的方法,对风轮振动特性的完整和准确获得均存在一定的影响。初探性分析,轴向窜动效应的产生因主要与塔架的弹性有关;圆盘效应的产生因主要与风轮的安装方式有关。相关研究成果有可能为很多风力机叶片在远短于设计寿命期频繁发生疲劳损伤事故的分析提供新的思路和理论支撑。

叶片应变随侧风角度变化的特征分析

利用TST5925装置和PULSE19装置构建了叶片表面应变与发电机、塔架、基座振动加速度的同步监测系统,针对直径1.4 m的小型水平轴风力机侧风工况下叶片气动中心线及叶根附近位置的应变进行测试与分析。证实了最恶劣侧风角的存在,处于该侧风角度时叶片承受的侧风激振力最强,离心力是导致叶片最恶劣侧风角发生迁移的主要诱因。揭示了来流风速及叶片转速一定的情况下,叶片不同位置所对应的最恶劣侧风角不尽相同,低转速时叶根附近所对应的最恶劣侧风角往往小于叶尖和叶中部,但其随离心力变化的响应速度却较其它位置敏感。远离最恶劣侧风角时,应变值随转速的变化近似成线性;逐渐靠近该侧风角时,侧风激振力对叶片应变的影响显著增强,并导致其产生强烈脉动。

某新翼型风力机叶片的设计与气动性能试验

利用作者所在课题组最新研发的某风力机新翼型,基于Wilson法,通过MATLAB编写的叶片设计计算程序获得了某300 W小型水平轴风力机新翼型叶片的相关数据,并制做了实体叶片。通过气动性能试验,验证了程序的可靠性。为进一步比较在相同设计条件下,新翼型叶片在气动性能方面的先进性,以NACA4415为设计翼型进行了叶片的设计计算,并制作了相应的翼型叶片。通过气动性能试验,验证了新翼型叶片的气动性能优于NACA4415翼型叶片。

基于高频PIV的偏航对风力机叶片尾迹膨胀和叶尖涡耗散影响

为了揭示叶片尾迹结构随偏航角变化的响应特征,该文以直径为1.4m的水平轴风力机为模型,利用高频PIV开展了尾迹流场特征的试验测试,探究了尾迹膨胀、叶尖涡耗散与来流风速、接入负载(即叶片转速)、偏航角度间的关联性和关联规律。研究结果揭示:不偏航时,随着发电机接入负载的增加,尾迹流动向风轮外侧膨胀的趋势变大,外流场与尾迹流场间的掺混效应加剧,从而导致叶尖涡耗散速率加快;偏航时,偏航行为会使尾迹流场向风轮内侧收缩,且收缩速率会随着偏航角的增加而变大,此时外侧流场与尾迹流场间的掺混效应减弱,从而导致叶尖涡扩散速率减小。测试结果同时揭示:在叶尖涡脱落的初始阶段,涡量值存在先增大后减小的规律性变化。同时,偏航状态下,叶片转速的增加会促使最大涡量值点提前出现,且提前出现的趋势会随偏航角的增大而加剧。该文以试验测试的方法揭示了叶片的尾迹膨胀和叶尖涡耗散特征,相关成果对于叶片尾迹结构组成和输运规律的深入探究具有较重要的参考价值。

S型叶尖小翼对风轮振动频率影响的研究

利用PULSE16.1结构振动分析系统,针对直径1.4 m的小型水平轴风力机风轮分别在安装S型叶尖小翼与否的状态下进行静、动频测试,通过静频数据结合谱分析法识别风轮动频。研究发现,S型叶尖小翼导致风轮1、2阶振动静频下降,其对2阶振动静频的衰减幅值较1阶振动大,对同阶反对称振动静频的衰减作用较对称振动大,并具有显著调节风轮2阶反对称振动动频和对称振动动频间差值的效用。研究同时发现,S型叶尖小翼可有效改变风轮1、2阶振动动频曲线走势,从而有效调节风轮进入和脱离共振区的转速,这对于风轮最佳转速设计和避免共振设计具有较重要的意义。S型叶尖小翼对圆盘效应振动频率和轴向窜动效应振动频率影响很小,但在很大区域的转速范围内,圆盘效应振动动频曲线总是伴随风轮转速1倍频,并出现在1倍频振动带范围内,这一发现有可能为很多风力机叶片在远短于设计寿命期内频繁发生疲劳损伤事故提供新的解释。

风力机风轮振动频率及应力特性试验研究

利用Pulse16.1结构振动分析系统,针对直径为1.4 m的小型水平轴风力机风轮进行静态固有振动频率和动态振动频率测试.研究发现:气动载荷对风轮二阶以下振动动频影响相对较小,且对一、二阶反对称振动动频的影响略大于对称振动动频;离心力对风轮二阶以下振动动频影响较显著,且对一、二阶对称振动动频的影响大于对反对称振动动频.此外,圆盘效应所引起的振动应力高于二阶以下其他振动应力,轴向窜动效应引起的振动应力介于一、二阶振动应力之间,这一结论与风轮静频测试中所获应力结果有很大的差异性,从而也考证了通过风轮静态测试间接分析其动态振动应力的方法并不适用.相关研究成果可为风力机在远短于设计寿命期内频繁发生疲劳损伤或断裂提供新的分析思路,同时为小型风力机风轮结构动力学性能的合理设计提供一定的理论支撑.

风力机风轮结构阻尼比改进方法研究

针对某风力机风轮结构,提出了翼型加厚、新型双夹板式叶片连接、叶片沿翼展方向开槽和加肋3种结构改进方法,利用B&K公司最新研究的PULSE16.1结构振动分析系统对原翼型风轮和3种结构改进的风轮进行模态测试,获得了风轮结构改进对其阻尼比的影响特性。研究发现,3种结构改进方法均可有效改变风轮阻尼比随振动阶数升高跌宕起伏变化的规律,其中尤其以翼型加厚造成的影响最为显著;翼型加厚对通常关注的1,2阶振动的阻尼比影响相对显著,双夹板式叶片连接方式、叶片沿翼展方向的开槽和加肋两种改进方法则对1,2阶振动的阻尼比影响相对较小,且较均匀。相关研究成果对风轮阻尼比的设计和优化具有较重要的实用价值。

动态入流对叶片气动性能和叶面压力分布影响的数值分析

基于稳定风、渐变风、阵风等入流方式,建立了不同变风阶段叶片气动载荷非稳态计算模型,研究了不同风速变化速率对叶片气动性能以及叶面压力分布的影响规律。研究结果表明,在相同风速下,不同风速变化率会对风轮输出转矩产生影响,且风的加速度越大,其影响越显著。同风速下的压力面渐变风压力小于稳定入流压力,且两种入流方式的压力差随展向位置逐渐增大,而吸力面上的压力分布差异较小,但压力变化梯度随展向位置却有明显不同。阵风入流中,在相同风速的阵风加速与阵风减速时刻,压力面、吸力面的压力分布差异较大,但其压差随叶片展向位置波动较小;在叶根到叶片展向位置0.7R处,阵风加速出力大于阵风减速;在0.7R处到叶尖位置,阵风减速出力效果相对更好。

风轮固有频率精度模拟方法研究

针对某风力机风轮固有频率模拟计算,利用SolidWorks软件中"样条曲线"对多数据点同步拟合功能生成了光滑的叶片各翼型面曲线,同时利用SolidWorks软件中"放样"对多数据曲线同步拟合功能实现了叶片整体光滑建模,从而有效解决了模态计算中网络划分时因计算模型非流线性而产生死点或网格畸变的常发性错误,实现了网格的理想划分。利用ANSYS13.0软件模态分析计算模块,配合模型部件材质、部件间接触条件、风轮整体约束条件近实体化设置,使风轮前三阶固有频率计算值与试验值相对误差在5%以内,实现了风轮固有频率的精度模拟。分析产生数据差异的原因主要为实际叶片材质并非各项同性。精度模态计算方法的实现,对风轮结构优化设计及模态计算方面的研究具有较重要的应用价值。

基于翼型凹变的叶片结构动力学性能优化方法研究

针对某分布式水平轴风力机叶片,首次提出于翼型吸力面上进行翼型凹变的结构改良,以额定工况时不降低叶片功率输出为前提,成功地将翼型凹变应用于叶片刚度、阻尼比和固有频率的有益改进。研究揭示,翼型向内侧凹变可较好地控制叶片吸力面上气流交汇的位置和影响范围,配合凹槽对汇聚流线的诱导效应,可在一定程度上减小气体流动的能量损失,进而提升叶片的气动性能。此外,翼型凹变可显著提升风轮1阶、2阶阻尼比3%～9%,提升叶片刚度值32%,同时可有效降低叶片最大位移和最大应变值分别为28%和19%。翼型凹变在风力机叶片设计中的成功应用,不仅可为翼型族的衍生提供了新的实现方法,同时可为叶片气动性能和结构动力学性能的兼优性开发提供新的实现途径。

动态风载作用下叶片疲劳损伤的差异性分析

随着风力发电机组分散式应用中向人类生产生活环境的延伸,可用风能的稳定性变差,由此导致动态风载对叶片疲劳损伤的影响问题已凸显成为备受关注并亟待诠释的重要课题。通过对一年中自然风况数据的比对分析,拟合出了当地三种典型的动态风载数学模型,建立了综合考虑气动力、重力和离心力的叶片疲劳分析模型,并通过实验测试佐证了模型计算的可靠性。在此基础上,揭示了动态风载会对叶片的疲劳寿命产生严重影响,特别是在恶劣扰动风作用下叶片的疲劳寿命缩减率高达近30%。通过叶片不同位置截面上的安全系数和应力诠释了动态风载促使叶片疲劳寿命减小的原因。相关研究成果对于正在兴起的动态风载作用下叶片疲劳损伤的深入探究具有一定的参考价值。

M形叶尖小翼对叶片输出功率和振动频率的影响

提出一种M形叶尖小翼,以SD2030翼型叶片为模型,首先在叶片输出功率改良方面证实小翼几何结构设计的成功。在此基础上,通过实验测试探究小翼对叶片输出功率和振动频率影响的敏感性和规律性。研究揭示:不同工况下,小翼对叶片做功能力均具有较好的增益效果,且随来流风速和叶片转速的增大,增益效果增强;小翼具有调节叶片最大输出功率值及其出现所对应工况的能力;小翼对叶片1、2阶反对称振型固有振动频率值的减小程度明显高于同阶对称振型固有振动频率值的降低;同时,小翼具有调节叶片穿越共振带的能力,这对于叶片最佳转速和避免共振的设计与性能改良具有重要的实用意义。

风轮固有振动频率随工况变化的响应特性

为了获得风轮1,2阶振动频率随工况变化的敏感性,寻找风力机避振设计的主要途径及准确判别风力机发生疲劳损伤或断裂事故的主要诱因,利用流固耦合分析方法,针对某小型水平轴风力机风轮进行数值模态分析,分别获得了风轮1,2阶振动频率随来流风速和离心力变化的响应曲线,并用试验验证了数值计算结果的可靠性。研究结果表明:离心力对风轮动态振动频率的影响较气动载荷显著;风轮1阶对称振动频率随工况变化最为敏感,其触发的振动应力大于风轮其他1,2阶振动应力,是风轮结构动力学特性设计中最值得关注的参数;风轮1阶动频随气动载荷变化的生长规律呈二次方曲线形式,2阶动频随气动载荷变化的生长规律呈线性。

翼型凹变对叶片结构安全性的影响

文章针对某分布式水平轴风力机,提出采用翼型凹变的方式对叶片翼型吸力面进行优化。借助B&K公司的Pulse16.1结构振动分析系统,对翼型凹变叶片和原翼型叶片进行模态和动频测试。研究表明:翼型凹变后叶片刚度约有4%的提升;在相同工况下,翼型凹变后的加速度幅值普遍低于原翼型,减振效果明显;翼型凹变对轴向窜动影响最为明显,减振效果达到30%左右。相关研究成果可为风力机在远短于设计寿命期内频繁发生疲劳损伤或断裂提供新的解决途径。

DQS-Ⅱ型空气动力学实验装置流场品质改进研究

为改善DQS-Ⅱ型空气动力学实验装置实验段流场品质,在不改变收缩段入、出口几何形状(即不改变收缩比和安装条件)及收缩段长度(即不影响原装置部件相对位置)的前提下,应用五次方曲线只针对其收缩段进行本体改造,并通过实际测试验证了设备改进的成功,即改造后的收缩段可提供更好的流场品质。相关研究成果,对实验用空气动力学装置收缩段的低成本优化改造具有一定的参考价值。

近红外弱折变效应的写入光和读出光偏振方向的实验研究

分别用近红外光的正常偏振光和非常偏振光为写入光,可见光的正常偏振光和非常偏振光为读出光,研究了两者的偏振方向垂直或平行对实验结果的影响,即当写入光的偏振方向与读出光的偏振方向相互垂直时,读出时的图样类似于"8"字型;当两者的偏振方向相互平行时,读出的图样是中间暗两端亮。把此结果与可见光进行了比较,发现了与可见光完全不同的结果。

不同温度下大鼠脑组织RNA降解与早期PMI的相关性

目的 探讨大鼠脑组织8种RNA指标,在不同温度下的表达水平与早期死亡时间（PMI）的相关性.方法 将222只SD大鼠随机分为对照组（死后0 h）和4个实验组,实验组断颈处死后分别置于5℃、15℃、25℃和35℃的环境中,于死后1~24 h内9个时间点提取脑组织RNA,利用实时荧光定量PCR技术检测8种RNA指标（β-actin、GAPDH、RPS29、18S rRNA、5S rRNA、U6 snRNA、miRNA-9及miRNA-125b）的表达水平,geNorm软件选取合适内参,SPSS软件对内参标准化RNA指标进行回归分析,R软件构建推断PMI的数学模型,另选6只已知PMI的SD大鼠予以验证.结果 5S rRNA、miR-9和miR-125b表达稳定,可作为内参指标.β-actin和GAPDH具有良好的时序性降解规律,在24 h内随PMI延长不断降解.R软件拟合得ΔCt值随PMI和温度变化的数学模型可用以推断PMI.运用β-actin和GAPDH验证模型的平均误差率分别为14.1%和22.2%.结论 β-actin和GAPDH表达水平与PMI和环境温度相关性良好.本研究建立的数学模型可为温度变化条件下的早期PMI推断提供参考.

风电产业发展现状及制约瓶颈

文章综述了2017年世界陆上风电、海上风电产业发展的新态势和新特征;介绍了中国风电新增装机量及其年同比增速;概括了中国六大地区新增装机速率、新增装机机型特征、现服役装机机型特征和5年来中国海上风电新增装机区域分布特征。文章还阐述了中国风电机组制造商装机量现状及其在陆上、海上风电发展方面已具备的优势。最后,文章从限电问题、生产成本、自主创新能力、制造和配套能力、标准体系建设、政策措施、并网、社会对风电的认同度和行业竞争等9个方面,汇总了当今风电产业发展的主要制约瓶颈。

风轮典型振型动态频率的间接测试和识别方法

基于多种混合振动信号传递中各组成信号的频率保持特性,建立了风轮典型振型动态频率的间接测试和识别方法,并利用试验测试与数值仿真相结合的方法佐证了该方法的可靠性。具体方法是在电机前端部靠近风轮处布置加速度传感器捕获沿风轮轴向的加速度时域信号,通过快速傅里叶变换(fast fourier transformation,FFT)获得被测信号的频域特征,进而结合风轮模态振型及频谱特征识别其典型振型动态频率值。经与数值仿真结果比较,测试相对误差控制在5%以内,精度较好。同时,由于该方法无需在叶片表面大量布装传感器,故具有在不破坏叶片表面原有形态,完整保留风轮流场和结构场特征的前提下简捷获取风轮典型振型动频值的测试优势,有效解决了现今风轮典型振型在运行工况时动态频率值监测难、识别难的技术困境,同时可为风轮健康监测提供参考。