Aeroelastic Responses for Wind Turbine Blade Considering Bend-Twist Coupled Effect

The Euler-Bernoulli beam model coupled with the sectional properties obtained by the variational asymptotic beam sectional analysis(VABS)method is used to construct the blade structure model.Combined the aerodynamic loads calculated by unsteady blade element momentum model with a dynamic inflow and the dynamic stall correction,the dynamics equations of blade are built.The Newmark implicit algorithm is used to solve the dynamics equations.Results of the sectional properties and blade structure model are compared with the multi-cell beam method and the ANSYS using shell elements.It is proved that the method is effective with high precision.Moreover,the effects on the aeroelastic response caused by bend-twist coupling are analyzed.Torsional direction is deflected toward the upwind direction as a result of coupling effects.The aerodynamic loads and the displacement are reduced.

基于多体模型的水平轴风力机气弹耦合分析

大型风力机的气动载荷、惯性力和弹性力等交变载荷会引起柔性风轮、塔架等构件的耦合振动,影响风力机性能和使用寿命。针对水平轴风力机的气弹耦合数学模型的建立及其数值积分方法进行研究。采用能反映弹性变形的超级单元(Super-element,SE)将柔性构件离散为带有力元弹簧和阻尼器的旋转铰连接的有限个数的刚体。基于多体系统(Multi-body system,MBS)动力学理论和混合多体系统(Hybrid multi-body systems,HMBS)的建模方法,通过编制的仿真程序自动建立受约束的风力机多体系统动力学方程并进行数值求解。通过傅里叶谱分析方法,实现了系统动力学特性分析。算例分析美国可再生能源实验室(National renewable energy laboratory,NREL)公布的5 MW水平轴近海风力机的固有频率与振型,验证了程序的有效性和建模方法的正确性。基于叶素动量(Blade element momentum,BEM)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流固之间的耦合。分析结果表明超级单元能用较少的自由度准确地描述风力机气动载荷、惯性力和弹性力三者之间的耦合。所开发的仿真程序能为风力机气弹耦合及稳定性分析和控制系统设计提供实用的分析平台。

海上漂浮式风电机组风波载荷计算与分析

以海上大型漂浮式风电机组三浮桶式支撑结构为对象,考虑风波联合作用,借助叶素-动量理论和线性波理论,联合风载荷和波浪载荷模型构建了风波联合载荷模型。计算过程中,考虑了风电机组不同的运行工况,依据浮桶直径与波长的比值来确定波浪载荷适用的计算模型(Morison理论与绕射理论);得到了不同工况、不同环境参数和结构参数条件下的载荷结果,分析了风波载荷的变化特征。

基于叶素-动量理论及有限元方法的风力机叶片载荷分析和强度计算

风力机叶片是整个风力发电机组的核心部件,其结构需保证风力机可以有足够的刚度、强度和稳定性。风力机叶片所受载荷是强度分析的关键。运用CATIA对风力机叶片进行三维建模,得到叶片的外型参数。基于叶素-动量理论(BEM)对风力机在正常工况下所受到的载荷进行分析和计算,并利用有限元软件(ANSYS)对其进行应力分析,得到了叶片上的应力分布规律,并对其进行了强度校核。分析结果可为风力机叶片载荷研究做参考。

基于改进叶素动量理论的水平轴风电机组气动性能计算

综合考虑到风剪切、塔影效应、三维旋转效应的影响,本文对传统的叶素动量理论(blade element momentum,BEM)进行改进,建立风电机组气动性能计算模型,基于该模型编制计算程序,以商用1.5 MW风电机组为计算实例,计算出其在不同的风速、转速和桨距角配置下的轴向和切向气动荷载分布,以及推力、功率和风能利用系数,与传统BEM模型及风电设计分析软件FOCUS5计算值对比,验证了该模型的正确性和优越性。

海浪发电机双向轴流叶轮设计与仿真分析

为了使海洋浮标具备正常的定位及监测功能,需要合理地进行双向轴流叶轮的选型分析。采用软件对翼型进行选择,并通过Fluent软件对翼型进行水动力仿真分析,由压力云图得到影响流体动力性能的主要因素是前半段的弧线。基于此设计S翼型,进行UG建模,并通过接口导入Fluent软件进行叶轮仿真,以选定叶片数量。采用叶素动量理论(BEM)对海流能自供电浮标叶轮翼型进行原理分析,建立Bladed模型,仿真得到叶轮输出特性,从而验证了水动力仿真的正确性。通过模拟试验平台对所设计叶轮的可行性进行验证。结果表明:桨距角为15°,尖速比为4,叶片数量为4的叶轮在流速2.2 m/s下获能效率最大,其数值接近40%。通过对仿真及理论分析的正确性进行验证,能够为之后的水槽及海试试验提供数据参考。

基于叶素动量理论的水平轴风力机叶片设计方法

针对叶素动量理论在实际运用中存在的问题,对叶素动量理论进行较系统的分析,认为其有两种计算模型.以模型Ⅰ为例,提出两种计算流程,建立以风轮运行风速范围内风能利用系数最大,以叶片弦长、叶尖速比为设计变量的优化设计模型,计算中考虑分段叶尖损失计算方法.针对8kW水平轴风力机叶片的计算表明,计算方法稳定、可行.根据设计要求,对叶片弦长、叶尖速比进行优化设计.通过计算获得叶片结构参数和叶片性能参数随叶片展向、风速的变化关系,同时获得风力机的最佳运行风速范围.计算结果可为风力机叶片设计和评估提供参考.

台风作用下近海风力机叶片的空气动力载荷研究

结合2005年0518号台风"Damrey"的实测时程数据,参考美国可再生能源实验室5 MW风力机主要设计参数,重点研究台风作用下近海风力机叶片的空气动力载荷特征。首先,鉴于完整台风实测数据跨越时间较长,且风速和风向变化具有显著的时段特征,因此科学截取一段具有代表性的3 h台风风速-风向时程数据。其次,综合考虑5 MW风力机叶片主要截面翼型设计参数和变速变桨控制系统,基于叶素动量(BEM)理论模拟分析代表性台风时程下风力机叶片的空气动力载荷特征,并将该数值模拟结果与相关简化计算结果进行对比分析,揭示风力机变速变桨控制系统的时滞性对台风作用下叶片空气动力载荷的重要影响。最后,进一步研究风力机停机状态下的叶片台风载荷特征,建议在台风作用下采用主动顺桨叶停机策略,以实现降低叶片气动载荷保证风力机主体结构安全的目的。

大型风力机叶片的耦合优化方法

为了降低兆瓦级风力机叶片的制造成本,通过耦合叶素动量理论与复合材料欧拉伯努利梁强度设计理论,综合考虑风能效率和成本,以叶片的风能效率成本最小化为优化目标,提出了大型风力发电机叶片的多学科优化设计方法。并基于该方法,对某50 m风力机叶片进行了优化设计。研究结果表明,该方法能够找到风能效率与成本的平衡设计点,叶片风能效率成本比传统设计方法设计的叶片减少了8.84%。

风力机动态载荷的计算

改进了传统动量-叶素理论,提出了基于动态入流的动量-叶素理论,并应用于风力机偏航与动态变桨下的载荷计算。将Pitt-Peters方法与GDW方法应用于风力机的载荷计算中,并进行了相应的修正。载荷计算结果与NREL实测结果进行了对比分析,结果表明:基于动态入流修正的动量-叶素理论、修正Pitt-Peters方法和修正GDW方法均能够较准确评估风力机非定常流动下的载荷。进一步对某实际风力机进行了偏航与动态变桨的载荷分析,在偏航状态和动态变桨瞬间,风力机将承受较大的动态载荷,需要进行非定常流动载荷计算,以免低估风力机在实际运行过程中的动态载荷。

水平轴潮流能叶轮叶片数量分析研究

叶片数量是水平轴潮流能发电叶轮的重要技术参数,对水平轴潮流能发电装置叶轮叶片数量问题进行了研究;利用叶素—动量(BEM)理论的Wilson方法设计了2叶片和3叶片两种水平轴潮流能叶轮,两种叶轮的直径、额定工作流速、启动工作流速、最大工作流速等参数一致,控制策略均采用调桨距角方案;利用WT_Perf对模型的合理性进行了验证;利用建立的仿真模型,从功率系数、发电量、轴向推力、启动力矩等4个方面,分析对比了2叶片叶轮和3叶片叶轮的特性;对比结果表明,对于流速较低的海域,使用2叶片叶轮的方案具有一定优势,符合装置实际使用情况。

浮式风机在风浪联合作用下的动力响应分析

为了研究浮式风机以及系缆张力响应问题,本文基于三维线性频域势流理论和脉冲响应函数方法计算时域波浪力,利用准静定系泊模型来模拟系泊力,通过叶素动量理论来计算风力,采用计算流体力学方法得到粘性阻尼系数,建立了风机在风浪联合作用下的时域运动方程。结果表明:在规则波与不规则波单独作用下的纵荡、垂荡响应与试验值相吻合,系缆张力响应则偏小于试验值;在不规则波与风联合作用下,所得的纵荡、垂荡响应在波频范围内与不规则波单独作用下的结果相差不大,而系缆张力响应则同样偏小于试验值。

水沙环境对海流能机组水动性能的影响

为了探究水沙环境下海流能机组的水动特性,首先采用CFD-DPM模型仿真沙粒对120 kW海流能叶片翼型升阻力系数的影响,再基于叶素动量理论(BEM,blade element momentum)计算水沙环境下120 kW海流能机组的捕获功率,最后从叶片设计的角度出发,提出了为能充分利用沙粒对海流能机组功率的促进作用以及尽量减小沙粒对海流能机组功率的削弱的方法。研究结果表明:当颗粒直径为20μm时,随着沙粒质量浓度的增加,沙粒能够促使海流能机组功率提升,当颗粒直径为2 500μm时,海流能机组功率因沙粒的存在而被削弱;随着翼型攻角增大,翼型升力系数增大,颗粒对翼型升阻力系数的影响程度增强,升阻力系数的变化量增加;小升力系数的翼型可以充分利用小直径颗粒对机组的功率提升,也可以降低大直径颗粒造成的机组功率削弱。

阵列式平台漂浮式风电场Spar平台动态响应及稳定性改进研究

平台的稳定是漂浮式风力机安全运行的基本保障。为研究风波耦合作用下阵列式平台漂浮式风电场Spar平台的动态响应,建立基于OC3-Hywind Spar Buoy平台的NREL 5 MW漂浮式风力机整机模型,采用链接系泊和固定系泊建立了3×3阵列Spar平台漂浮式风电场。基于叶素动量理论考虑叶尖损失、轮毂损失以及动态失速通过Fortran编程实现了水动力软件AQWA的二次开发,建立了漂浮式风电场平台气动-水动-固定系泊-链接系泊耦合动力学模型并实现了模型算法求解,结合辐射/绕射理论研究了风波耦合作用下漂浮式风电场Spar平台的动态响应特性,为解决系泊系统直接与Spar平台主体链接时平台产生的大幅度首摇、横摇响应问题,提出了首摇阻尼板和系泊链接点外移两种提高平台稳定性的方法,并研究了二者对漂浮式风电场平台动态响应特性的影响。结果表明:系泊系统直接将Spar平台链接建立阵列式平台漂浮式风电场的方案是不可行的,平台将产生极大的首摇、横摇响应;普通海况下,首摇阻尼板明显降低了漂浮式风电场平台的首摇、横摇响应,恶劣海况下效果不明显,系泊链接点外移在普通海况、恶劣海况两种工况下均能够明显降低漂浮式风电场平台的首摇、横摇响应;系泊链接点外移时,相对于风波入射方向,位于两侧的平台在xOy平面运动轨迹、首摇、横摇响应具有对称性的特点,位于中间的平台P1、P4、P7不存在横荡、横摇、首摇响应,位于两侧的平台存在横荡、横摇、首摇响应,横摇波动幅度,普通海况下约0.1°,恶劣海况约0.5°,首摇波动幅度,普通海况下约0.5°,恶劣海况约2°;此外,系泊链接点外移时,普通海况、恶劣海况两种工况下,风电场中几乎所有平台的垂荡、纵摇及机舱振动稳定性均得到了一定程度的提高。研究结果为漂浮式风力机平台稳定性的提高提供了理论参考。

大尺度风轮高精度CFD缩比模型构建及其分析

针对大功率风电机组气动分析过程中叶素动量(BEM)理论计算精度不高、三维计算流体力学(CFD)仿真分析计算时间长的问题,以某5 MW风电叶片翼型数据为参考,分析不同风轮尺度下BEM与CFD的计算精度和效率;基于几何相似、运动相似和动力相似理论,推导缩比模型与原型之间的几何、运动、力学参数的比例关系,比较不同几何比例尺下风电叶片的气动性能;以几何比例尺为参考,建立大尺度风轮高精度缩比模型,分析多种工况下缩比模型CFD仿真的计算精度与效率。研究结果表明:风轮尺度越大,CFD与BEM分析的结果相对差值越大,多种工况下大尺度风轮缩比模型气动性能基本与原型保持一致,但计算效率获得大幅提升。

预弯对风力机叶片变桨力矩影响的分析

本文基于动量叶素理论推导了预弯式风力机叶片气动变桨力矩的定性表达式，分析了在理想优化条件下力矩的变化趋势，与直叶片进行了比较，并采用FOCUS商业软件进行了计算分析。结果表明，在正常攻角范围内，气动变桨力矩与桨距角增大方向一致，叶片预弯可以在一定程度上增大气动变桨力矩，从而减小总体变桨力矩。

新型风力机致动面模型研究

本文提出一种新型致动面模型用于研究风力机尾流特征。该模型利用无厚度平面表示真实叶片,利用二维翼型气动数据根据BEM理论在表面施加压力,同时通过求解N-S方程计算转子流场。本文利用新型致动面模型计算了NREL phase Ⅵ风力机气动特性,并将计算结果与实验值相比较,验证该模型用于风力机尾流场研究的可能性。