考虑叶片旋转及土-结构相互作用对风电结构动力特性影响的研究

风力发电建设场地土特性及叶片转速变化会引起风力发电机动力特性及响应发生变化。基于西北地区某风电场的2 MW三桨叶水平轴风力发电机,利用ANSYS软件建立风力发电机整机模型,考虑叶片旋转及土-结构相互作用对风力发电机动力特性的影响,研究风力发电机在不同叶片转速、不同场地条件及两者共同作用下的动力特性变化规律,并利用坎贝尔图分析上述工况下风力发电机的共振特性。结果表明:叶片转速增加使风力发电机的自振频率逐渐增大,塔筒与叶片的耦合变形使频率增长加快;考虑土-结构相互作用时,风力发电机频率降低,且场地土越软风力发电机频率越小;当两种工况共同作用时,叶片旋转只对一阶频率产生影响,对高阶频率影响甚微,且风力发电机频率降低;考虑叶片旋转时风力发电机在1P转频内不产生共振点,在3P转频内一阶频率的共振点为14 r/min。此外在不同场地土下风力发电机均会产生共振点,其中Ⅲ类土的共振频率最远离额定转频。因此在风电场的场地选择、结构设计及日常运行时应注意其动力特性变化,使其频率远离共振区域,为风力发电机安全运行提供保障。

叶片旋转噪声激励下旋涡风机壳体声辐射计算理论及分析

基于旋涡风机内螺旋形流动,采用面元法和螺旋桨尾流面建模法建立叶片表面气动载荷理论计算模型。根据FW-H方程所得的叶片旋转噪声结果对旋涡风机壳体进行简化,基于Fluegge薄壳理论和拉格朗日能量法建立了旋涡风机壳体动力学模型,并结合边界元法建立了壳体远场声辐射的理论计算模型。理论计算的壳体声辐射指向性表明,壳体声辐射主要是在风机的周向位置,与试验结果一致。且较商业软件仿真,采用该文理论方法的计算时间大幅减少。最后利用理论计算模型,探讨了叶片数、叶片厚度、叶片宽度和叶片弯角对叶片旋转噪声激励下壳体声辐射的影响规律:叶片数的增加使得声压级逐渐减小;叶片厚度的改变对平均声压级几乎没有影响;随着叶片宽度的增加,声压级先减小再增大;声压级随前向叶片弯角的增大而增大,随后向弯角的增加而减小。

考虑叶片旋转与土构耦合作用的海上风电机组塔筒动态特性研究

基于有限元软件Ansys对NREL 5 MW单桩式海上风电机组塔筒系统进行三维实体建模,分析了叶片旋转状态和桩基土构耦合作用对塔筒振动特性的影响。结果表明:考虑叶片旋转产生的离心力和离心刚度时,土构耦合作用会显著降低塔筒前两阶模态频率,其相对变化量分别为-31.68%和-31.74%,同时会增大塔筒瞬态位移响应,塔筒顶部在前后方向和侧向上的最大位移比底部固定约束时分别增大86.94%和46.59%;在叶片旋转与土构耦合共同作用下,塔筒等效应力显著增大,最大等效应力增大了57.38%,塔筒的一阶及二阶模态频率会在转速9.5 r/min附近与叶片1P转频产生共振点,而在额定转速以内不会与叶片3P转频产生共振。

叶片旋转方向对NREL Phase Ⅵ风力机功率特性的影响分析

风力机叶片旋转方向影响风力机流场特性,并改变风力机之间的气动干扰,从而影响风力机功率特性。为掌握风力机叶片旋转方向对风力机功率特性的影响规律,基于CATIA软件建立NREL PhaseⅥ风力机模型,并基于三维计算流体力学(CFD)软件(Fluent)建立风力机气动特性分析模型。通过计算各风速下的风力机叶片表面压力分布和功率特性,并与美国国家能源部可再生能源实验室的NREL PhaseⅥ风洞实验数据对比,验证本文风力机分析模型准确性。随后,计算分析2台相同叶片旋转方向的NREL PhaseⅥ风力机功率特性随风力机间距的变化。分析表明,在不同风力机间距下,上游风力机输出功率基本保持不变,而下游风力机输出功率随风力机间距增大而增大;当两风力机间距为12倍直径时,下游风力机输出功率恢复至正常水平的92.1%。最后,计算分析2台相反叶片旋转方向的NREL PhaseⅥ风力机功率特性随风力机间距的变化。相比于相同的叶片旋转方向,叶片旋转反向将增加下游风力机输出功率,且功率增幅随着间距增大而逐渐减小;风力机间距为4倍直径时,功率增幅达到最大值,约为4.4%。

薄壁旋转叶片热屈曲失稳与损伤应用研究

作为发动机中最重要的部件之一,旋转叶片的结构特性和工作状态直接影响到航空发动机的正常运行。以应用于航空发动机中高速旋转叶片为研究对象,对其屈曲失稳响应进行研究。建立旋转叶片结构热屈曲分析模型,对比揭示温度场下约束叶片的线性与非线性热屈曲响应的失稳特性。通过对比线性/非线性热屈曲响应,发现了非线性屈曲失稳特性更接近真实损伤工况,分析出屈曲应力最大的部位位于叶根并与试验对比一致,由此获得了叶片的临界载荷及其失稳条件,这对降低热-结构耦合振动对叶片的损伤具有重要的意义。

旋转叶片流固耦合振动对叶端定时测振的影响

叶端定时是一种先进的旋转叶片在线振动监测方法,但其测量准确性受其测点位置变化影响较大,如何选取合适的测点具有重要研究价值。为考虑叶片颤振及其流固耦合振动对测点位置的影响,设置流场圆柱绕流产生涡阶,并对不同转速和裂纹位置下旋转叶片的扭转情况进行分析。计算比较离心载荷时正常叶片的扭转振动,流固耦合下正常叶片、裂纹叶片的扭转振动及叶端各点扭转偏移量对叶端定时测振测点位置的影响。结果表明:流固耦合作用下,转速和裂纹位置对叶片的扭转振动影响较大;叶端定时测振传感器在转速较低时应安装在靠近叶片前缘处,而转速较高时应安装在靠近叶端中间位置。

含呼吸裂纹的旋转扭型变截面叶片的动态接触特性

航空发动机叶片经常发生裂纹故障失效,从而引发一系列事故。以往的研究主要集中在裂纹引起的非线性振动上,而裂纹呼吸过程中裂纹表面的接触状态往往被忽略。然而,考虑裂纹表面的接触行为是非常重要的,因为它会导致裂纹叶片的非线性振动。为了进一步研究裂纹诱发非线性振动的机理,本文提出了一种基于自编非协调六面体单元(SNCHE)的旋转叶片动态接触呼吸裂纹模型,并使用弹簧单元模拟呼吸效应。通过接触有限元模型验证了模型的有效性。此外,还研究了裂纹参数(裂纹深度和裂纹位置)及载荷参数(气动振幅和气动频率)对裂纹叶片动态接触特性的影响。在此基础上,提出了一个呼吸裂纹量化指标(BCQI)来表征呼吸裂纹的非线性水平。结果表明,在裂纹呼吸过程中,裂纹面从叶片侧面向裂纹尖端中心方向闭合。并且BCQI随裂纹深度、气动幅值和转速的增加而增大,随裂纹位置越靠近叶尖而减小。

基于叶尖定时的旋转叶片同步振动辨识新方法

为掌握旋转叶片在不同工作转速下的振动特性,利用叶尖定时测振系统对旋转叶片进行振动测试。分析了基于变速扫频测量的速矢端迹法理论,设计了一种多传感器辨识叶片同步振动的新方法。运用该方法对某型号航空设备的旋转叶片进行振动测量实验,准确地辨识出不同转速下旋转叶片的振动倍频、动频、振幅及阻尼系数等参数。频率和振幅辨识重复性精度分别高达0.007 2 Hz和5.7μm。正确绘制出叶片振动坎贝尔图,实验辨识结果与叶片理论设计结果基本一致。

旋转叶片异步振动全相位FFT辨识方法

基于叶尖定时的旋转叶片振动测量技术属于严重的欠采样方法。为实现旋转叶片异步振动辨识,分析了基于叶尖定时的异步振动信号模型,设计了一种利用全相位FFT分析技术的多传感器遍历的异步振动辨识方法,从理论上推导了全相位FFT以及多传感器遍历算法,并进行了计算机仿真验证。运用该方法在某型号航空设备的旋转叶片完成振动测量实验,实验结果表明,叶片异步振动辨识结果与叶片理论设计基本一致。成功解决了叶片异步振动欠采样问题,进一步完善了叶尖定时测振系统。

恒速下旋转叶片同步振动辨识方法

欠采样极度减少了同步振动信息,为实现恒速下辨识旋转叶片同步振动参数,分析了基于叶尖定时测振原理的同步振动欠采样模型.设计了一种利用多支任意分布的叶尖定时传感器辨识叶片振动参数的方法,从理论上推导了振动倍频遍历算法.将该方法在某型号航空设备上进行模拟验证实验,实验结果表明,该方法可以准确实时地辨识出振动倍频、振动频率、振幅等参数,并还原出叶片同步振动信号,恢复精度约2,μm.成功克服了恒速下叶片同步振动欠采样的辨识难度,进一步完善了叶尖定时测振系统.

旋转叶片在测试陶瓷浆料固化过程流变特性的应用

将旋转叶片应用于应力控制流变仪,测量陶瓷浆料固化过程中的流变特性.在数据处理上,可将添满陶瓷浆料的旋转叶片等效为一个同心圆筒,并按照同心圆筒进行测试参数的设置.我们采用四叶片的旋转叶片测试不同浓度的聚丙烯酰胺溶液的复数模量G*,并与平行板测试数据比较.结果表明旋转叶片存在有效直径.这个有效直径小于叶片直径.确定了在测试陶瓷浆料固化过程流变特性时的有效直径Deff.并得到陶瓷浆料固化过程的流变曲线.

旋转叶片振动测量新的技术方案研究

压气机的旋转叶片必须能够承受非常高的静应力和动应力。静态应力可通过测量或理论计算确定 ,静态应力的理论计算与测量结果相当吻合 ;但动态应力主要靠试验测量来确定 ,其理论计算尚未能满足应用的需要。叶片的振动测量因而成为涡轮机械的一个重要研究领域。介绍了旋转叶片传统的测量技术 ,以及近几年来欧美国家正在研究的非接触式旋转叶片振动测量技术———叶端定时测量技术 ,并针对某应用对象进行了测量方案的研究。

旋转叶片气膜冷却效果的数值研究

采用数值模拟方法研究了静止和旋转涡轮叶片表面不同工况下的气膜冷却效果,计算给出了吹风比M=1.0、1.5等工况下静止和旋转叶片压力面、吸力面的气膜冷却效率,以及不同射流孔下游的气膜冷却效率,并分析了旋转和吹风比对气膜冷却效果的影响。结果表明:静止叶栅,M=1时叶片气膜冷却效果较好,旋转叶栅,M=1.5时叶片气膜冷却效果较好;叶栅在高速旋转时,冷却气流对射流孔附近区域影响不大,叶片尾缘附近气膜冷却效率呈现先增大后减小的趋势;叶片高速旋转时,产生的离心力使冷却气流流向叶顶区域,靠近叶顶区域的气膜冷却效率值较高。

风力机旋转叶片的多体动力学数值分析

在现代柔性多体系统动力学理论的框架上,研究了风力机叶片的空间旋转运动与其弹性变形间的耦合 关系;对旋转叶片进行有限元离散,采用凯恩(Kane)方法,建立了一般形式的大型风力机叶片柔性多体动力 学方程;结合大型叶片几何构形特点,导出了旋转叶片的空间梁单元动力矩阵的显式形式;以1．5MW风力机叶 片为例,计算了该叶片的固有频率并与常规有限元数值分析结果进行了比较,体现了旋转叶片的动力刚化效应, 更准确地反映了叶片的动力学特性。

旋转叶片异步振动的频率识别技术

基于非接触式叶尖定时测振原理,针对叶片异步振动的欠采样问题,采用"5+2"双采样速率方案进行采样,通过频率辨识技术来获得叶片的真实振动。将实验测得的振动频率与应变片法测量结果进行比对表明,所测频率与叶片振动的坎贝尔曲线一致,是叶片振动的真实频率。同时,比对结果验证了测量方案的正确性,也说明了该辨识技术具有很高的实际应用价值。

不同湍流模型旋转叶片气固耦合动力学特性研究

对轴流式压气机内旋转叶片在不同湍流模型气固耦合作用下的动力特性进行研究。利用FSI(Fluid-Structure Interaction)双向顺序耦合算法,采用CFX和ANSYS对压气机内气体及旋转叶片分别计算,并通过迭代求解,获得叶片在气流作用下的动力学响应。为研究耦合场内对叶片动力特性影响,对某一级转子叶片进行流固耦合计算。模拟流场计算中不同湍流模型对计算结果影响较大,采用3种湍流模型:标准κ-ε湍流模型(standardκ-ε)、重正化群κ-ε湍流模型(renormalization groupκ-ε,RNGκ-ε)及大涡湍流LES模型(Large Eddy Simulation),获得叶片在瞬态流场变化动力特性,并比较不同湍流模型对计算影响,为工程对压气机内转子工作特性分析提供可行方法。

利用自然低温的旋转叶片结冰风洞试验系统设计

为开展风力机旋转叶片结冰风洞试验研究,设计了一种利用寒冷地区自然低温环境的具有可变截面试验段的结冰风洞试验系统。该系统在原有常规结冰风洞的基础上改进了试验段,设置了喷雾区与非喷雾区,风力机叶片实验台可设置在非喷雾区内,而旋转叶片在转至喷雾区时进行结冰测试。为测试该系统的各项参数以及研究系统的可行性,对该试验系统的3个主要环境变量:试验段速度分布、温度分布和液态水含量分布进行了测试和标定。在此基础上,进行了绕轴旋转圆柱和叶片段的结冰试验,对2个系统下的无因次结冰面积及结冰形状进行了对比分析。结果显示该系统各项参数稳定,利用2个系统得到的结冰形状相似度高,结冰面积一致性较好,表明该系统可用于进行旋转机械结冰风洞试验研究。

旋转叶片频率转向与振型转换特性

通过对典型旋转叶片的有限元分析,讨论了旋转叶片动频特性的“频率转向”和“振型转换”问题,尤其是关于多模态耦合的复杂“频率转向”和“振型转换”的现象和特点.首先讨论了旋转叶片动频特性中的两阶模态间“频率转向”和“振型转换”问题,说明了这种耦合振动问题的机理,然后研究了多阶模态相互耦合所导致的复杂“频率转向”和“振型转换”现象,对其基本特点进行了详细的分析和说明.

风力机旋转叶片动力学方程的Neumann级数解法

运用现代柔性多体动力学方法,研究了水平轴风力机柔性叶片空间旋转运动与其弹性变形间的相互耦合关系及其所导致的动力学效应;导出了旋转叶片的有限元动力学方程及其数值求解方法;对大型风力机叶片在机械和气动载荷作用下的弯曲变形进行了动态模拟。由于该有限元动力学方程为时变方程,文中应用Neumann级数和Newmark直接积分方法求解动力方程,编制了相应的计算机程序;以1.5MW风力机叶片为例,计算了风力机在启动、刹车和正常运转时的叶片弯曲挠度响应,并与常规有限元数值分析结果进行了比较。结果表明,该方法能有效地求解该类时变方程并准确地反映旋转叶片的动力学特性和动力学响应,本文工作为进一步进行叶片强度和气动弹性稳定性分析打下了基础。

叶尖定时旋转叶片振动测量新技术

设计了一套基于叶尖定时传感的旋转叶片振动测量系统。系统主要由光电传感系统、振动信号采集与预处理系统、叶片振动数据处理系统3部分组成。叶尖定时传感器采用单根光纤发射、多光纤接收的Y型结构,并用高性能专用集成芯片完成弱光信号的放大检测,使传感器信噪比大于500,信号带宽大于50 MHz。设计了基于PCI总线,并融合CPLD和DSP技术的高速叶尖定时信号实时采集与处理板卡;建立了同步共振条件下叶片振动的数据处理模型,实现了叶片振动的实时监测。