极端阵风条件下大型风力机叶片极限载荷研究

基于修正叶素动量理论,考虑经验修正、动态失速、动态入流等因素,结合叶片气动弹性响应问题,对大型风力机叶片在极端阵风条件下的极限载荷进行研究。以某MW级水平轴风力机叶片为例,研究动态失速、阵风上升时间、变桨速率等因素对叶片极限载荷的影响。结果表明,随着叶片大型化的发展,极端阵风条件下的极限载荷问题对风电机组的整机性能有较大影响。

极端运行阵风下风电叶片动力学响应特性流固耦合分析

基于CFD及有限单元法,利用ANSYS Workbench平台的Fluent与Transient Structural模块,对NREL 5 MW风电机组复合材料叶片在极端运行阵风下的气动特性及结构力学特性进行研究。结果表明:风轮气动载荷受极端运行阵风的影响较大,极端运行阵风作用下,风力机转矩及轴向推力等随风速的变化出现较大幅值的响应且响应峰值较阵风峰值均有所提前;叶片位移随风速的变化在峰值风速的前后出现大小两个峰值;在风速达到峰值时,与均匀来流阶段相比,叶片表面应力整体增幅较大。

极端运行阵风对15 MW风力机叶片结构性能影响的分析

基于CFD方法,对极端运行阵风条件下IEA Wind 15 MW水平轴风力机气动性能进行分析。采用ANSYS APDL软件定义复合材料铺层方案建立15 MW风力机叶片有限元模型,并基于Workbench平台对风力机叶片进行模态分析和静力学分析,研究极端运行阵风对风力机叶片结构性能的影响。结果显示:极端运行阵风对风力机气动性能和叶片结构性能影响较大,风轮推力与转矩极值出现的时间点均迟于风速极值点,沿叶片展向叶片流动分离区域与风速呈正相关;在极端运行阵风期间,叶片位移均是从叶根至叶尖逐渐增大,叶片最大应力出现在叶片主梁并且距叶根0.6 R处,同时,由于叶片的叶尖位移和最大应力在短时间内大幅度变化,会使叶片破坏的概率增加。

极端运行阵风下风力机的气动特性

基于CFD方法,通过对比均匀来流和极端运行阵风条件下1.5 MW水平轴风力机的非定常气动特性,研究了极端运行阵风对风力机气动性能的影响规律.结果表明:极端运行阵风对风力机的气动特性影响较大,转矩与法向力、切向力系数的最大值较风速最大值的出现有所提前,较高风速下叶片失速造成风力机的转矩和气动力系数随风速的增大而减小.从紊流向层流的恢复阶段,流动的不稳定性使法向力、切向力系数在减小的过程出现振荡.

极端运行阵风下后掠型风力机叶片的气动特性研究

基于多体系统动力学和升力线气动模型,考虑柔性后掠叶片动态失速和气动弹性耦合问题,建立了风力机气弹耦合模型,研究极端运行阵风及阵风作用时间对某5 MW后掠风力机叶片气动性能的影响。结果表明:极端运行阵风对叶根挥舞力矩、功率、攻角、升力系数和轴向推力等气动特性具有较大影响。研究工作对风力机的结构优化设计和疲劳寿命设计具有重要作用。

向变极端相干阵风下浮式风机系泊线断裂风险因素分析

系泊系统是保障浮式风机系统稳定安全运行的关键。掌握极端环境下引发浮式风机系泊破断失效风险的原因,对于优化系统设计及风险应急决策具有重要意义。目前极端阵风条件对浮式风机系泊安全造成何种影响仍不清晰。本文对某半潜式浮式风机开展气动-水动-伺服-弹性耦合数值模拟,预报不同向变极端相干阵风(ECD)工况与浪流耦合环境下系统的气动和水动响应,分析了阵风持续时间、风向变化角等关键参数对系泊张力响应的影响。结果表明系泊张力随持续时间的增大而先增大后减小,当持续9s左右时,所研究浮式风机的系泊张力最大,可能造成系泊线的断裂,这是影响系泊安全的关键参数。

极端工作阵风下浮式风力机系泊断缆机理分析

极端工作阵风的快速风速变化和不稳定性能够扰乱浮式风力机系统,诱发系泊断缆。因此,深入研究极端工作阵风对系泊系统的影响机理具有重要的工程安全意义。本文建立了气动-水动-伺服-弹性耦合多体动力学模型,旨在探究极端工作阵风与浮式风力机系泊动态响应之间的关联,明确阵风特征参数与系泊冲击张力之间的关系,以及在风浪流耦合下的浮式风力机的响应机理。结果表明,极端工作阵风所诱发转子推力突变频率与浮式风机纵荡频率接近时系泊响应最大,且阵风幅值与风力机响应幅值呈正相关;系泊冲击张力与环境多变载荷的耦合效应将诱发系泊断缆;迎风系泊线张力极值出现时刻与极端工作阵风发生时刻的延迟时间在平台的纵荡固有周期到该周期加上波浪周期的范围内。

一种适用于风力机组复杂阵风工况的非线性控制策略

针对极端阵风工况机组出现过速停机,造成机组载荷增大的问题,在传统的PID动态控制基础上,增加了一个以减少超速为目的非线性控制策略。在风速和风向骤变的工况下,通过探测转速动态特征,以适当增加桨距角的方式避免机组过速停机,同时合理地触发阈值设置,保证其不影响正常发电工况机组运行。用实际机组进行了仿真验证,结果表明,非线性控制策略能够有效地解决极端阵风工况机组超速停机问题,降低了风电机组塔底极限载荷,并保证在正常运行期间不增加机组疲劳载荷。

风电机组设计标准中风模型的演变过程

风参数是风电机组设计中最重要的外部环境参数,其取值直接影响风模型的准确性,进而影响风电机组的设计成本及其在现场环境中的适应性。为了使中国风电行业从业者了解风电机组设计标准中风模型的演变过程,在风电机组设计开发、适应性评估等各个阶段选用更为合适的风模型及其参数,重点介绍了正常湍流模型(NTM)、极端湍流模型(ETM)、极端运行阵风(EOG)模型、方向变化的极端相干阵风(ECD)模型、极端风剪切(EWS)模型等风模型的修订背景、修订方法及其影响。虽然IEC 61400-1系列标准中的风模型根据行业应用经验在不断演变,但随着风电机组大型化发展趋势,风模型的真实代表性仍面临巨大挑战,尤其是50年重现期的极端工况下的风模型,很难通过实测数据验证,其在不同现场的代表性和合理性值得进一步探究。