风载荷对不同海上浮式风力机平台运动特性影响对比研究

为探究风载荷对不同漂浮式风力机平台影响,分别建立基于单桩式、半潜式及驳船式3种平台的漂浮式风力机整机模型,结合叶素-动量理论、辐射/绕射理论及有限元方法,研究不同工况下3种典型漂浮式风力机平台的时频运动响应特性。结果表明:仅波浪载荷作用时运动响应标准差均小于风波耦合作用时,风载荷使平台偏离平衡位置明显,且对各平台纵荡响应较其余响应更敏感;对于纵荡响应,风载荷使3个平台固有频率处响应峰值均有所增大;对于垂荡响应,风载荷使单桩式平台固有频率处响应峰值有所减小、半潜式平台垂荡-纵摇耦合处及固有频率处响应峰值有所增大,但对驳船式平台垂荡响应可忽略不计;对于纵摇响应,风载荷使单桩式平台固有频率处响应峰值有所增大,并使半潜式平台发生纵荡-纵摇耦合运动,但对驳船式平台纵摇响应影响甚微;风载荷是平台发生耦合运动的关键因素;波浪载荷是影响驳船式平台垂荡及纵摇响应的关键因素。

海上风力机变桨控制策略仿真研究

基于开源软件FAST与Matlab/Simulink联合仿真平台,将干扰自适应控制(DAC)应用于海上风力机变桨控制,并与FAST基础控制进行对比,分析不同控制对海上风力机漂浮稳定性的影响,并提出一种改进的DAC,研究其对海上风力机漂浮式平台及风轮转速的影响。结果表明:与FAST基础控制相比,在DAC下海上风力机风轮转速更稳定,但其漂浮稳定性差;DAC对海上风力机漂浮稳定性的影响主要集中于纵荡和纵摇方向;与DAC和FAST基础控制相比,改进的DAC更适用于海上风力机变桨控制。

基于分形几何的分形叶片气动性能与流动机理研究

提出一种在叶片尾缘布置分形孔的分形尾板叶片,以提高气动性能和改善流场流态。分别对原始叶片、无孔尾板叶片及分形尾板叶片进行三维流场数值计算,研究无孔尾板及分形尾板对叶片流场和气动特性的影响及流动机理。结果表明:分形尾板有助于改善叶片周围流场结构,降低了叶片吸力面上及周围的湍流强度,有效地延迟了流动分离;分形尾板叶片在提高最大升力系数的同时,延迟了失速的发生,且阻力系数较无孔尾板叶片小;在临近失速攻角时,分形尾板叶片阻力系数比无孔尾板叶片表现出较好的气动性能。

翼型前缘的气动滑片对动态失速特性的影响分析

为抑制动态失速效应,以NACA0012为基础翼型,提出在前缘布置气动滑片的翼型。采用滑移网格和重叠网格相结合的技术,通过SST k-ω湍流模型对动态失速特性进行数值模拟,研究气动滑片对翼型气动性能的影响。结果表明:在上仰过程中,气动滑片能有效抑制动态失速的发生,延缓翼型前缘分离涡的产生;与原始翼型相比,气动滑片可在翼型上仰过程中显著减小阻力系数,并使翼型升阻比增大;在下俯过程中,气动滑片翼型的升力系数明显增大,且翼型运动过程中的迟滞效应减弱;气动滑片高度与翼型升阻比的提升效果密切相关。

地震作用下桁架式大型海上风力机瞬态动力学分析

为研究地震载荷作用下桁架式大型海上风力机结构动力学响应。采用文克尔土-构耦合模型描述柔性土壤与桩基间的相互作用,以NREL 5 MW大型海上风力机为研究对象,分别建立其桁架式及单桩式结构有限元模型,并计算两种结构在额定风速正常运行及突发地震两种工况时的结构瞬态动力学响应。结果表明:在地震及湍流风作用下,相较于单桩式风力机,桁架式结构具有更好的抗风抗震性能,且塔顶位移响应较小,能够有效保护塔顶叶片、机舱等重要部件;地震发生时,桁架式风力机米塞斯等效应力幅值变化范围降低48.7%,平均值降低21.9%。研究还发现,现有桁架结构设计会出现局部应变能激增。

极限海况下三种海上风力机半潜平台的动态响应对比

采用水动力学软件AQWA和有限元方法,分别对三浮体平台、四浮体平台和五浮体平台在极限海况下的工作状态进行数值仿真,并对3种半潜平台的频域和时域运动响应进行分析。结果表明:在频域分析中,三浮体平台、四浮体平台和五浮体平台在纵荡、垂荡和纵摇方向上的附加质量依次增大,运动响应依次减小;在时域分析中,3种半潜平台在横荡、垂荡和横摇方向上的运动响应均减小;平台的稳定性随平台结构复杂度的增加而提高,但与四浮体平台相比,五浮体平台稳定性的提高不显著。

风波耦合作用下悬链线系泊参数对不同漂浮式风力机平台动态响应的影响

通过Fortran语言编程进行AQWA二次开发,实现漂浮式风力机气动-水动-系泊耦合动力学模型算法求解。考虑风波耦合作用,研究了悬链线系泊系统不同参数对3种漂浮式风力机平台运动响应及漂浮式风力机系统各参数的影响。结果表明:系统参数对漂浮式风力机Spar平台纵荡位移最大值、垂荡位移最大值影响较大,而对纵摇角度最大值和机舱加速度最大值均影响较小,且导缆孔不同位置的张力最大值变化不同,故合适的导缆孔位置能够有效增强平台稳定性;系泊系统采用较大直径的悬链线可提高漂浮式风力机Barge平台稳定性;系泊长度、导缆孔位置及系泊直径对漂浮式风力机Semi平台纵荡位移最大值、系泊张力最大值影响较大,而对垂荡位移最大值、纵摇角度最大值及机舱加速度最大值均影响较小。

极限海况下Barge平台漂浮式风电场动态响应

为提高漂浮式风力机平台稳定性,以Barge平台漂浮式风力机为研究对象,建立共用系泊系统3×3阵列Barge平台的漂浮式风电场。以叶素动量理论为基础,利用水动力学软件AQWA并结合有限元方法,对Barge平台漂浮式风电场和单个Barge平台在极限海况下考虑风波耦合作用的动态响应进行对比研究。结果表明,相较于单个Barge平台,风电场中各个平台的纵荡响应均小于单个Barge平台,位于两侧的各个平台产生不规则的横荡运动,但均较小;其次,Barge平台风电场的垂荡、纵摇及机舱加速度响应均优于单个Barge平台;同时,风电场中各平台表现出很好的首摇、横摇稳定性,波动幅度均未超过2°。研究结果验证了所建立的Barge平台漂浮式风电场的可行性,可为进一步开展新型漂浮式风电场研究提供理论依据。

船舶碰撞海上风力机防护装置的动力响应对比分析

海上风力机与船舶碰撞概率随着海上风电场的发展将逐渐增大,研究海上风力机防撞性能具有重要的应用背景与价值。为此,考虑桩土耦合作用,对比橡胶、泡沫铝防护装置,采用显示动力学软件Ls-Dyna模拟海上风力机受船舶碰撞的过程。对比泡沫铝防护装置、橡胶防护装置及无防护装置下风力机受船舶碰撞过程的动力响应。结果表明:相同质量船舶随着速度增加,橡胶材料所受最大接触力增加,而泡沫铝材料先增加后减小,其在6 m/s后的吸能特性得到增强;对比有防护装置泡沫铝、橡胶及同等条件下无防护装置单立柱三桩结构海上风力机响应变化,泡沫铝材料对结构响应抑制最好;塑性应变等值线越密集,塑性变形越大,且斜撑与立柱连接处易发生塑性变形。

风力机叶片气动降载与流动分离控制技术综述

风力机大型化已成为风电技术发展的主要趋势。但随之而来的叶片尺寸增大、气弹特性增强、多尺度流动等问题将导致叶片处于更加复杂严峻的风况及载荷环境。为提高叶片应对复杂风况及载荷的能力,提高叶片气动效率,有必要采用先进有效的流动控制技术以满足叶片气动降载与流动分离控制的需求。针对当前主流的流动控制技术进行了介绍,并对较具发展潜力的尾缘襟翼与自适应襟翼研究现状进行了重点介绍。现阶段流动控制技术并未在风力机叶片中得到广泛应用,一方面在于流动控制技术尚难与叶片现有主体控制技术相结合,以达到相辅相成的控制效果;另一方面在于对于部分控制技术,如自适应襟翼等,其控制特点尤其是其在风力机实际运行中的控制特点尚不明确。后续研究中,对于叶片气动降载,应结合更为先进的控制方法与更可靠的研究手段开展尾缘襟翼控制与叶片主体控制的协同控制研究;对于流动分离控制技术,应侧重于改善被动控制技术在非适用工况下的不良影响,同时开展流动控制技术在整机中的实验与数值研究,加快流动分离控制技术的实际应用。

基于仿生设计的风力机叶片腹板力学性能分析

借鉴仿生学理论,对比树叶叶脉与风力机叶片腹板,以DTU 10 MW风力机叶片腹板为研究对象,建立了一种非规则仿树叶脉络分布的腹板模型,并采用有限元方法对仿生腹板与原始腹板进行静力学、模态及谐响应分析等力学性能比较。结果表明:仿生腹板较原始腹板更具柔性,吸收更多结构变形能,同时可节省二分之一材料;随着模态阶数升高,两种腹板固有频率差距越来越小;仿生腹板尖端位移、速度及加速度均小于原始腹板,仿生腹板在结构响应方面有较大优势,具有更好的抗共振性能。

风力机气动-结构仿真平台构建与计算

为在研究大型风力机气动性能的同时考虑其结构动力学特性,基于开源计算流体力学软件OpenFOAM及气动-水动-伺服-控制软件FAST,并结合致动线方法(Actuator Line Method,ALM)实现风力机叶轮周围流场信息与结构响应间的数据交换,最终完成风力机气动-结构仿真平台FASTFOAM构建。通过该平台计算了风场中两台串列布置5 MW风力机的气动性能及结构动力学特性。结果表明:FASTFOAM平台能够快速计算出风力机的功率输出、结构响应及流场信息;风力机尾迹在发展过程中可持续与周围流场进行能量交换而使其速度亏损得以弥补;下游风力机受上游风力机尾迹影响严重,输出功率只有上游风力机的21.05%,且结构动力学响应与上游风力机不同;上游风力机和下游风力机叶轮的主要刺激频率分别为0.16和0.15 Hz。

一种抑制大分离流动的被动控制方法

改善叶片流动分离现象是提高叶轮机械安全性与运行效率的重要措施。受鸟类羽毛前缘失速时自适应弹起启发,提出一种布置于翼型吸力面前部的自适应气动弹片。以S809翼型为研究对象,采用数值模拟方法,结合SST k-ω湍流模型,研究气动弹片厚度、长度及角度对翼型增升减阻特性的影响,并基于功率谱方法分析非定常流场气动参数变化情况。结果表明:较之弹片厚度,弹片长度和角度是影响翼型气动性能的主要因素,且攻角越小、雷诺数越大,弹片增升减阻效果越佳;弹片翼型流动分离区域明显小于原始翼型,弹片减阻能力显著,前缘分离区域明显缩小;弹片可有效改善翼型前缘流动分离时的气动参数变化复杂性,增加流场稳定性;弹片使气动参数主频提高,功率谱密度峰值大幅降低,峰值数量减少,弹片翼型谱密度积分降低明显。

湍流风与浮冰联合作用下近海风力机动力学响应

以NREL 5 MW近海风力机为研究对象,基于Kaimal平稳随机风速谱模型建立风力机全域湍流风,同时采用Matlock模型计算动态冰力,模拟风力机所受冰激振动,研究在风-冰联合环境载荷作用下近海风力机动力学响应。结果表明:冰激振动极大地加剧塔顶各向振动;频域上,冰激振动影响主要集中于塔架1阶固有频率和叶片1阶摆振频率,且相应峰值与冰厚呈正相关关系;受冰激振动作用,塔架各向剪切力明显增加,且塔顶和塔基附近增幅大于塔身中部。

流动分离状态下弹片对翼型气动性能及噪声影响

受自然界鸟类在应对阵风或着陆时翅膀上表面(吸力面)羽毛轻微抬起现象启发,以NACA0018翼型为基础,在其吸力面加装类似鸟类羽毛的弹片,通过数值模拟方法研究流动分离状态下弹片对翼型气动性能及气动噪声的影响。结果表明:翼型在流动分离状态下,依据原始翼型边界层分离特点给出特定抬起角度的弹片,能有效抑制流动分离区前移,减小流动分离,较之原始翼型其升力系数上升、阻力系数下降;流动分离区与翼型尾缘处声压级有所减小,周向总声压级呈偶极子分布且整体有所降低。

基于自适应变分模态分解及多重分形谱的风力机轴承故障分析

风力机齿轮箱轴承故障信号具有典型非线性及非平稳特性,采用自适应变分模态法对4种状态下振动信号进行分解,提出基于分形盒维数-峭度阈值法(Adaptived Variational Mode Decomposition,AVMD)对处理所得分量进行筛选,选取富含故障信息的分量进行信号重构,采用多重分形去趋势波分析方法,分析重构信号的分形特征并识别其工作状态,结果表明:基于多重分形去趋势波分析法对非稳定轴承可进行有效地故障识别;轴承振动信号具有典型分形特征,在不同时间尺度下,标度指数、广义Hurst指数与多重分形谱均可反应轴承工作状态;3种多重分形谱参数对故障类型敏感度不同,谱函数最大值对应的奇异指数对内圈故障较为敏感,峰值占比对外圈故障较为敏感,分形谱宽对滚珠故障较为敏感。

极限海况下Spar平台漂浮式风电场平台动态响应研究

平台稳定性是漂浮式风力机安全运行的基础。以漂浮式风力机Spar平台为研究对象,借鉴“铁索连舟”增强船舶稳定性的思想,建立了共用系泊系统基于Spar平台漂浮式风电场。运用水动力学软件AQWA,采用辐射/衍射理论并结合有限元方法,研究了极限海况下风、浪及流载荷联合作用下多平台的动态响应特性。结果表明:频域分析中,Spar平台在纵荡方向上的幅值响应算子随频率增加逐渐减小,最后趋向于零;在垂荡和纵摇方向上,幅值响应算子随频率增加先增加后减小,最后趋向于零,且峰值频率在低频区域。时域分析中,较之于单平台,漂浮式风电场平台在纵荡、横荡方向上的位移均得到了一定程度的减小,横摇及艏摇运动响应亦得到了抑制。增大系泊链接点半径的方法对于抑制漂浮式风电场平台艏摇响应效果明显。

基于集合经验模态分解和关联维数的风力机齿轮箱故障诊断

针对齿轮箱故障信号的非线性和非平稳性特征,提出基于集合经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)、关联维数和支持向量机(Support Vector Machine,SVM)的故障诊断方法。将美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)"Gearbox Reliability Collaborative(GRC)"项目进行测试获得振动信号数据,通过EEMD进行分解得到本征模态函数(Intrinsic Mode Function,IMF)分量,采用G-P算法求取各组本征模态函数分量的关联维数,将各组关联维数输入SVM中进行故障识别及分类。结果表明:振动信号的关联维数与嵌入维数呈正相关,且正常信号和故障信号的关联维数区分度不明显,通过SVM能对其进行精确识别和分类。该方法能有效提取系统故障非线性特征,比传统的基于统计参数的故障诊断方法具有更高的诊断精度,准确率高达100%。

海上浮式风力机叶片减载及平台运动控制研究

基于开源软件FAST与Matlab/Simulink联合仿真平台,采用现代控制理论的状态空间法,建立干扰自适应性控制模型并用于海上浮式风力机独立变桨距控制,且与FAST基础控制对比,分析海上浮式风力机叶片载荷及支撑平台运动。结果表明:较之FAST基础控制,干扰自适应性独立变桨距控制作用下海上浮式风力机叶片桨距角变化波动大,但在变桨距执行器执行范围内;海上浮式风力机发电机转速得到较好的控制;干扰自适应性独立变桨距控制对海上浮式风力机叶片有很好的减载作用,同时对支撑平台运动也有较好的控制。

风波流及船舶碰撞作用下海上风力机研究进展

本文回顾了海上风力机发展历程,阐述了风波流作用下漂浮式风力机平台动态响应及固定式基础海上风力机的船舶碰撞动力响应研究,从海上风力机动态响应数值仿真、水池实验及平台稳定性控制等方面进行分析,针对目前控制方法缺点提出阵列式平台漂浮式风电场研究思路,并指出了现阶段船舶-固定式基础海上风力机碰撞动力学研究存在的问题,为系统了解海上风力机发展及开展相关研究提供了参考。