偏航状态下风力机塔架-叶片耦合结构气弹响应分析

提出一套快速预测偏航状态下风力机全机结构气弹响应的分析方法。以南京航空航天大学自主研发的5MW特大型概念风力机为例,建立风力机塔架-叶片耦合模型获取模态信息;采用谐波叠加法和改进的叶素-动量理论计算气动荷载,并考虑了偏航角对诱导速度的影响;再运用模态叠加法求解风力机耦合动力学方程,通过迭代循环更新叶片速度和气动力,对风力机塔架-叶片耦合结构进行气动载荷和气弹响应计算,并通过参数分析归纳出偏航角和气动弹性对风力机全机动态响应的影响规律。研究结论可为此类特大型风力机塔架-叶片耦合结构的抗风设计提供科学依据。

风力机塔架-叶片耦合结构与单个叶片模态参数对比研究

存在的大多数叶片的动力学模型忽略了塔架和叶片的耦合作用,为了保证风力机叶片在过大风载下具有足够的结构稳定性,文中建立了5 MW风力机塔架-叶片耦合结构的整体模型,提出了塔架-叶片耦合结构的动力学方程,基于不同结构的固有频率和振型参数,分析了风力机塔架-叶片的耦合作用对叶片结构振动的影响。分析结果表明:塔架-叶片耦合结构的主要模态频率相比单个叶片的主要模态频率要小55%~84%;耦合结构和单个叶片的前4阶振型性态相同。

风力机塔架-叶片耦合模型风致响应时域分析

基于风力机塔架-叶片耦合模型,采用改进的叶素-动量理论模拟了考虑平稳风修正、叶片旋转效应和空间相干性的风力机气动载荷,并基于有限元方法对该耦合模型进行了动力特性分析和风致响应时域计算.基于目标响应时程探讨了风力机塔架-叶片耦合系统在随机风荷载作用下的动力响应特性,并与不考虑叶片影响的风力机塔架风致响应进行对比分析.研究表明,在进行风力机的抗风设计时,应该考虑塔架-叶片的耦合作用.

主梁腹板偏置及复合材料铺层的大型风力机叶片结构性能分析

为研究大型风力机叶片内部结构偏转及表面偏轴蒙皮纤维共同作用下的叶片结构性能,基于NX二次开发建立NREL5MW叶片CAD模型,通过CFD方法求解叶片气动载荷,结合有限元方法对其进行模态、静力学及屈曲稳定性计算。结果表明:各叶片一阶固有频率均有下降,腹板偏转角θ对叶片模态影响高于纤维偏转角α;在气动载荷作用下,叶尖最大形变量均大于传统叶片;叶片最大应力位于近叶根最大弦长处,叶片表面应力随偏转腹板角θ增加而增大,且θ>0叶片均大于θ<0叶片;θ<0叶片易屈曲失稳区域于前段气动区,而θ<0位于近叶根区靠近前缘处,同一偏转角度下,θ<0叶片一阶屈曲因子均大于θ>0叶片,抗屈曲能力较好;综合分析,θ=-15°,α=15°叶片模态降幅小,屈曲因子增幅及表面应力降幅较为显著,降低叶片结构应力效果良好。

气动载荷作用对大型风力机叶片-塔架净空影响分析

针对DU翼型水平轴风力机,为了探究气动载荷作用对风力机叶片-塔架净空的影响,利用GH Bladed对5 MW风力机进行仿真计算,通过探究风速、桨距角、功率对风力机叶片-塔架净空的影响,分析了叶片-塔架最小净空工况下叶片的结构动态响应,证明了风力机运行的安全性。结果表明,通过理论计算与仿真计算对比发现,最小净空值误差小于3%,验证了计算的准确性;风速增大会导致风力机输出功率增加,为保证风力机安全运行下恒功率输出进行变桨调节,使得桨距角增大,叶片-塔架最小净空随着桨距角的增大而增大;叶片结构变形随风速的变化趋势一致,保持良好的相似性,叶片-塔架最小净空值出现在风速为11.5 m/s的工况。

考虑风轮和塔架动力耦合的大型风力机流固耦合动态响应分析

通过风剪切和脉动风谱程序建立了模拟工况的风场,以某大型风力机实体模型作为研究对象,运用有限元软件ANSYS数值模拟了流固耦合作用下风力机结构动态响应。结果表明:与脉动风相比,风剪切对叶片的最大位移和应力影响更显著;叶轮与塔架耦合作用会显著增大叶片最大位移和应力响应值;考虑耦合作用后叶片最大应力由相对翼展0.5处移动到0.7处。该研究结果可为风力机的优化设计提供技术参考。

兆瓦级风力机结构风振系数取值探讨

国内外关于风力机塔架设计中风振系数的取值一般不考虑叶片与塔架的结构与气动耦合作用。针对大型风力机系统风振多耦合效应和多振型响应特点,建立某兆瓦级风力机塔架-叶片系统有限元模型,采用改进的叶素-动量理论,模拟考虑旋转效应和塔架-叶片相干性的风力机系统脉动风速时程;基于风振精细化频域计算方法,进行风力机系统动力风振反应计算,探讨了叶片旋转效应的影响、风振系数的取值及其参数变化规律。研究结论为兆瓦级风力机风振系数的确定提供了科学依据。

极限环境载荷诱导风力机结构振动影响分析

风力机桩基、塔架及连接部件构成的支撑结构属顶部承担较大质量的力学结构,地震对其造成的影响远大于常规建筑。针对上述问题,基于NREL开发计算平台,联合TurbSim、AeroDyn、FAST及Seismic,对变风载荷、变地震载荷(波形、强度)下的风力机动力学响应进行研究。发现:地震横波对风力机结构响应造成剧烈影响,纵波相对于横波影响较小;风力机在水平方向的结构响应比竖向更剧烈,垂直方向的结构响应在结构分析时可忽略不计。叶片的结构响应主要由风载荷造成;因风载荷在来流方向的作用导致塔顶流向位移和塔架侧向弯矩受风载荷和地震载荷同时影响,塔顶侧向位移和塔架流向弯矩受地震载荷作用更显著。

地震动方向对海上风力发电机动力响应的影响

叶轮-塔架耦合及气动阻尼作用使得海上风力发电机前后向、侧向动力特性存在差别。针对NREL 5 MW单桩式海上风力发电机,通过理论分析,探讨海上风力发电机前后向与侧向振型、阻尼特性的差异;然后,针对停机和运行两种工作状态,采用气动-伺服-水动-弹性完全耦合方法,分析输入地震动方向影响海上风力发电机结构动力响应的规律,探讨最不利方向;最后,还分析了平均风速对最不利输入地震动方向的影响。结果表明:输入地震动方向可能显著影响海上风力发电机支撑结构泥面弯矩和塔顶位移幅值;对于运行状态,强震作用下,侧向为最不利输入地震动方向,弱震作用下,前后向为最不利输入地震动方向。

地基基础对风力发电机塔架系统地震响应的影响研究

建立了风力机塔架、基础与地基的相互作用三维有限元模型,采用改进的拉格朗日有限元格式、接触问题的约束函数法和Newmark自动变步长的动力求解方法,分析了P-Δ效应、地基及地基与塔架基础的接触形式对塔架的自振特性和地震时程响应的影响。分析结果表明:弹性地基及塔架基础与地基土壤滑移接触使得塔架结构的各阶自振频率降低显著,尤其高阶频率影响更甚,同时塔架系统各地震响应值也增大很明显。研究方法和研究成果可为风力机塔架系统的抗震设计提供有益的参考。