基于气弹试验15MW超长柔性叶片颤振临界风速预测的叶根反力法

颤振是风力机叶片超大化发展必须解决的首要难题,气弹模型测振风洞试验是其最有效的预测方法之一,但传统方法无法精确解决模型相似比和测量精度的难题。本文提出一种基于主梁刚度等效原则的超长柔性叶片气动/刚度映射一体化三维完全气弹模型设计方法,采用高速摄像技术和高频六分量天平进行全风向角同步测振和测力风洞试验;系统研究了NREL‑15 MW超长柔性叶片的非线性动态响应频谱特性,对比分析了基于叶尖位移与叶根反力的风力机叶片颤振性能和临界失稳状态,发现了采用叶根反力来预测颤振性能的可行性,提出了超长柔性叶片颤振失稳预测的叶根反力法。研究表明:本文提出的气弹模型设计和实验方法能精确有效地模拟风力机叶片动力性能与颤振行为,试验发现超长柔性叶片在桨距角为93°~96°和284°~287°区间内发生颤振,颤振区间内颤振临界风速随桨距角的增大呈现先减小后增大的趋势,在桨距角为94°时达到最小,其风洞临界风速为5.4 m/s;叶根反力与叶尖位移存在一致发散性和强相关性,提出的叶根反力颤振指标δ≥2%时,风力机叶片进入颤振临界状态。

柔性叶片水流发电模型实验研究

提出一种新型海洋潮流能发电获能装置——柔性叶片水流发电装置,该装置不同于传统刚性叶片水轮机的最大特点为采用柔性材料制作叶片。制作几种不同形式的柔性叶片水流发电装置模型,在中国海洋大学教育部重点实验室大型风-浪-流水槽中进行模型实验,对其水动力学特性进行验证,并进一步对柔性叶片安装方式、叶片的形状等与水流发电装置获能系数之间的关系进行了研究。研究结果表明,柔性叶片水流发电装置具有适合于海洋潮流能特点的水动力学性能,在海洋潮流能开发利用中具有较好的应用前景。

水平轴风力机柔性叶片气弹耦合分析

针对水平轴风力机柔性叶片的气弹耦合模型与数值积分方法进行研究。首先应用超级单元法,将柔性叶片离散为若干个超级单元,单元内刚体之间由带有力元弹簧和阻尼器的万向节或转动铰联接,以描述叶片的挥舞、摆振和扭转等运动;基于计算多体动力学理论,应用R-W(Roberson-Wittenburg)方法,导出带约束的旋转叶片多体系统动力学方程;基于叶素理论,计算叶片变形状态下各刚体所受的气动力,在数值积分过程中实时实现两者之间的耦合。算例分析了某1.5 MW风力机叶片在一定风速和转速下的气弹耦合。结果表明超级单元法能用较少的自由度准确描述柔性叶片的弹性变形、气动载荷和叶片位移间的耦合,为风力机整机气动弹性耦合及稳定性分析提供了实用的分析方法。

潮流发电帆翼式柔性叶片水轮机实验研究

潮流发电水轮机是海洋潮流能发电系统的核心组成部分。帆翼式柔性叶片水轮机是一种全新水流发电装置,叶片由柔性材料制成,在流体力作用下自动调节攻角,能充分利用流体的升力和阻力效应做功。以帆翼式柔性叶片水轮机获能系数为研究目标,采用因次分析法初步分析可能影响获能系数的因素,通过模型实验对叶片弧弦比、叶片边弦比、叶片密度与获能系数的关系进行研究。不同结构形式转子存在不同叶片弧弦比最佳值,叶片边弦比愈大,获能能力愈强;在一定范围内,叶片密度较小时,获能与起转能力强,转速波动性较大,适用于低流速工况;反之获能与起转能力弱,稳定性较好,电能质量较高,适用于高流速工况。最后提出优化方案,实验证实优化后水轮机在获能能力和发电能力上均有所提高。

水平轴风力机柔性叶片气动弹性响应分析

基于模态分析法,通过二节点悬臂梁单元对柔性叶片进行离散化分析,得到水平轴风力机柔性叶片在挥舞、摆振和扭转方向上的固有特性;利用Newmark常平均加速度法和振型解耦实现各阶的振型结构动力响应分析。以某5MW大型风力机为例,分析高阶特征模态对叶片动态响应的影响,同时考虑截面扭角变化前后对气动弹性载荷的反馈作用。结果表明,大型风力机柔性叶片在旋转过程中的振动和变形相当大,截面扭转变化对风力机的气动弹性问题有较大影响。

柔性叶片水轮机数值模拟研究

分析柔性叶片结构和力学特性,建立了多节点动力学方程,提出了柔性叶片流固耦合的求解思路;结合实验研究,建立了3个转角位置的物理模型,采用UDF(User-Defined Function)控制动网格,实现不同转速下柔性叶片水轮机的数值模拟,研究了尖速比、弧弦比等对柔性叶片水轮机水动力特性的影响,数值模拟结果与实验值吻合较好。

风力机柔性叶片振动变形对其气动阻尼的影响分析

为了研究大型水平轴风力机柔性叶片的振动变形对其气动阻尼的影响,用叶素动量理论计算了风力机叶片气动力,用有限元法计算了结构动力响应,基于能量损失法建立了风力机的气动阻尼分析模型。重点分析了叶片振动扭角、挥舞倾角、摆振倾角对攻角的影响,考虑了挥舞速度,摆振速度对入流速度、入流角的影响。以某5MW海上风力机为例,分析计算了风力机整个叶片的气动阻尼。结果表明挥舞倾角、扭角对挥舞方向气动阻尼影响较大,会使其减小;摆振倾角对摆振方向气动阻尼的影响较大,会使其增大;振动变形对气动阻尼沿叶片的分布没有影响。

风力机柔性叶片的仿生设计与性能

基于植物叶脉中轴对称结构的增强机理,提出了一种仿中轴图式拓扑结构的风力机柔性叶片设计方法,以20kW风力机叶片为研究对象,采用实验测定和数值模拟的手段,从叶片失速特性和风能利用效率的角度对仿生设计叶片的柔性进行了研究。结果表明,仿生物中轴设计的叶片在极端风速下具有较低的内部载荷,桨叶失速状态下的柔性较强,能够明显拓宽风力机的正常运行风速范围,提高风能的利用效率。

风力机柔性叶片的混合多体模型研究

研究运用混合多体动力学方法建立风力机柔性叶片的动力学模型。应用超级单元(superelement)的建模方法,将柔性叶片离散为由带有力元弹簧和阻尼器的万向节连接的有限个刚体;基于多刚体动力学中的R-W(Roberson-Wittenburg)方法,通过约旦变分原理,导出了叶片多体系统的动力学代数-微分方程;运用MSC.ADAMS的求解器求解微分方程。计算了一个1.5MW风力机叶片的动力特性,研究了超级单元的数量对计算结果的影响,将算例结果与有限元分析结果进行了比较。算例分析表明,混合多体动力学建模方法能较好地分析和描述柔性叶片弹性变形对其运动特性的影响,为风力机气动弹性稳定性分析和控制系统设计提供了实用的分析方法。

柔性叶片水轮机导流罩设计及水动力学特性研究

以提高柔性叶片水轮机获能能力为目的,通过理论数值计算和试验分析,结合负获能区对柔性叶片水轮机的影响,对柔性叶片水轮机的导流罩形式进行研究。通过改变影响导流罩水动力学性能的几个重要参数,分别对柔性叶片导流罩进行水动力学数值模拟,得出水动力学特性较优的柔性叶片水轮机导流罩结构形式。

柔性叶片水轮机力学性能测算方法研究

针对一种新型潮流能发电获能装置——柔性叶片水轮机,采用风浪流水槽模型试验和Fluent数值模拟两种方法测算水力学性能参数,分析了两者测算结果的差异,并通过数值模拟法测算了柔性叶片水轮机力学特性,方法简便,对柔性叶片水轮机的开发利用具有指导意义。

柔性叶片结构风振响应的时域分析

针对柔性叶片风能转换装置的结构特点,采用多点瞬态压力测试系统,建立柔性叶片结构风振响应时域分析的实验研究方法。基于功率谱密度分析原理,运用Matlab对不同弯度叶片后缘处的风压时程和功率谱密度进行对比分析,发现柔性叶片的弯度会影响叶片的颤振幅度和频率,合理的叶片弯曲形状会提高风轮的运行稳定性,该研究结果可为柔性叶片风能转换装置的结构优化奠定基础。

柔性叶片风力提水装置叶轮气动特性研究

提出了一种用于风力提水的柔性叶片获能装置,制作了柔性叶片叶轮样机,搭建了该样机的风洞外特性测试及叶片表面压力场测试的试验平台。研究结果表明：①柔性叶片叶轮在风速为3m/s时即可启动运行,5-10 m/s时有良好的功率输出特性,当风速大于10 m/s时叶片会自动卸载,保证动力平稳输出;②柔性叶片可以根据风速的变化相应改变受风面形状,在4-10 m/s风速下,叶片弦向弯曲变形,增加风能捕获量和转化量,当风速大于10 m/s时,叶片随风速大幅变形,受风面积减小,改善了叶片的受力状态,保证风力机安全稳定的运转。柔性叶片叶轮可在较大风速范围内平稳运行,在偏远的农村牧区具有较好的应用前景。

柔性叶片附面层分离对气动性能的影响

为揭示柔性叶片受力后的变形状态对叶片气动性能的影响规律及原因,本文利用Fluent软件,采用RNGκ-ε湍流模型,选取柔性叶片受力变形过程中14个状态下的叶片作为研究对象并设定相同边界条件进行数值模拟计算,得到每组叶片上的压力分布、流场分布情况以及升力系数值;基于翼剖面理论和叶型附面层迁移理论,对比了14组叶片的升力系数值、附面层分离及涡流形成和发展的状态。结果表明:柔性叶片最佳迎角为20°,最佳曲率为0.019;曲率较大的叶片在接近后缘点区域吸力面上易发生附面层分离,会导致升阻比减小,造成能量损失,降低叶片的气动性能。

非定常条件下风力机柔性叶片气弹耦合分析

研究叶片振动与扭转变形对气动载荷的反馈以及基于静、动态气动模型的叶根载荷的差异。应用计算多体动力学理论和叶片气动模型,建立受约束的柔性叶片非线性气弹耦合方程,得出叶片气弹耦合时域响应。以某5 MW风力机叶片为研究对象,研究柔性叶片的振动和变形对叶根力矩的反馈;在修正的叶素动量理论(BEM)基础上,引入Beddoes-Lesihman动态失速模型,考察叶片气动载荷的非定常效应。分析表明,随着叶片柔性增加,气弹耦合现象愈加明显;动态失速将引起叶片载荷有较大的振荡幅值和频率,影响叶片疲劳载荷谱的分析和疲劳寿命的设计。

基于柔性叶片模型的独立变桨减载控制

为减小大型风机叶片疲劳载荷,针对某1.5MW变速变桨风力发电机组模型进行研究。利用WRTS-800和PRDS-600仿真实验平台进行仿真,分析了叶片周期性及时变性载荷源的特性。建立了用于仿真叶片振动情况的柔性叶片模型,得到了基于减小叶片疲劳载荷的、在时间域和空间域实时优化控制的独立桨叶控制策略。仿真结果表明,该控制策略与传统集中变桨控制策略相比,可减小叶根面外等效疲劳载荷4.2%以上。

非惯性系下旋转柔性叶片的动力学分析

旋转柔性叶片是汽轮机关键零部件,针对叶片振动损伤问题,考虑经历大范围运动的柔性叶片刚性运动与弹性变形运动之间的相互耦合,应用哈密顿原理建立了旋转柔性叶片非线性动力学控制方程.考虑旋转离心惯性力的影响以及轴向变形与横向变形之间的耦合,基于假设模态法对方程进行离散,研究了不同转速下梁端部位移的响应.研究结果表明,刚性旋转运动对柔性叶片端部位移的响应具有明显的影响,并且由于离心力的存在,出现了动力刚化现象,文中所用方法及数值仿真结果可用于研究旋转柔性叶片的振动失效问题.

海流能柔性叶片水轮机获能区的分析与研究

以柔性叶片水轮机获能区的研究为重点,分析柔性叶片水轮机的受力特性,提出正负获能区的概念,明确获能区的分布情况,在此基础上提出一种通过减小负获能区的不利影响来提高柔性叶片水轮机整体获能能力的方法,并利用数值模拟和水槽模型实验进行分析和验证。最后根据柔性叶片水轮机获能区的特点,针对不同的环境条件提出相关工程应用方案。

潮流能柔性叶片水轮机水动力学特性分析

提出了一种新型海洋潮流能获取装置——潮流能柔性叶片水轮机。其叶片采用柔性材料,可适应流体发生形变,从而它能自动调节攻角,能充分利用流体的升力效应和阻力效应做功,具有独特的水动力学特性。以柔性叶片水轮机获能系数(C_p)为主要研究目标,通过水槽模型实验对其影响因素进行了研究。实验证实了该柔性叶片水轮机的独特水动力学特性,而且证明,叶片形状和水轮机结构形式是其性能的主要影响因素,并通过分析得到了具有较佳水动力学特性的水轮机的叶片形状和水轮机结构形式。

基于ONERA模型的柔性叶片气弹稳定性研究

为了探究大型风力机柔性叶片在挥舞-摆振耦合作用下的气弹稳定性,文章基于ONERA非线性气动模型建立了包括二维翼型非线性气动升阻力方程及其挥舞-摆振耦合运动方程的气弹模型。利用该气弹模型计算得到NREL 5 MW风力机叶中段DU35-A17翼型在叶片变桨前后的挥舞、摆振变形量变化曲线,并与FAST计算结果进行比较,以验证气弹模型的准确性。结果表明:在额定工况时,叶片出现z轴正方向、y轴负方向的弯曲变形;风力机未变桨时,挥舞、摆振变形量会随风速增大而增大;叶片变桨后,挥舞、摆振变形量会比额定工况下的变形量有所减少。由于计算得到的挥舞、摆振变形量曲线是收敛的,故叶片是气弹稳定的。该气弹模型为评估大型风力机柔性叶片气弹稳定性提供了新方法,计算得到的挥舞摆振位移数据为优化风力机结构参数、提升叶片气弹稳定性提供了数据参考。