Computational Fluid Dynamics Analysis of Multi-Bladed Horizontal Axis Wind Turbine Rotor

The principal objective of this work was to investigate the 3D flow field around a multi-bladed horizontal axis wind turbine (HAWT) rotor and to investigate its performance characteristics. The aerodynamic performance of this novel rotor design was evaluated by means of a Computational Fluid Dynamics commercial package. The Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) equations were selected to model the physics of the incompressible Newtonian fluid around the blades. The Shear Stress Transport (SST) k-ω turbulence model was chosen for the assessment of the 3D flow behavior as it had widely used in other HAWT studies. The pressure-based simulation was done on a model representing one-ninth of the rotor using a 40-degree periodicity in a single moving reference frame system. Analyzing the wake flow behavior over a wide range of wind speeds provided a clear vision of this novel rotor configuration. From the analysis, it was determined that the flow becomes accelerated in outer wake region downstream of the rotor and by placing a multi-bladed rotor with a larger diameter behind the forward rotor resulted in an acceleration of this wake flow which resulted in an increase the overall power output of the wind machine.

大型风力机叶片前缘的雨滴冲击动力学响应机制

随着近年海上风力机设计的大型化,叶片前缘的雨蚀失效问题变得愈发突出,不仅影响机组的风能转化效率,对结构的稳定运行也构成潜在威胁。采用光滑粒子流体动力学(smooth particle hydrodynamics,SPH)法研究雨滴内部的本构关系,以有限元法(finite element method,FEM)建立叶片前缘的代表性体积单元(representative volume element,RVE)模型,两者相互耦合,研究雨滴在叶片表面形成的冲击响应过程。考虑自然降雨的实际工况,建立与降雨强度相关联的雨滴尺寸模型,以及雨滴的空间分布模型;通过单雨滴的冲击仿真,研究叶片表面冲击载荷以及雨滴内部的速度分布,从而解构雨滴冲击的物理过程,并通过冲击的应力、应变场分析,为潜在损伤区提供评价;建立多雨滴冲击的仿真模型,研究冲击应力场之间的耦合作用以及涂层表面的塑性应变累积效果。研究结果表明,水锤冲击是造成塑性应变累积的关键因素,虽然横向喷射阶段的应力响应幅值小并呈现一定的无序特征,但如果存在多雨滴耦合冲击的情况,则会在耦合区内出现应力峰值,并对叶片变形和失效存在潜在影响。

基于机器视觉的风电机组叶片多类型损伤检测方法研究

为更好地推动风电机组叶片运维技术智能化发展,基于机器视觉检测技术,提出一种风电机组叶片多类型损伤检测方法。首先对智能巡检无人机平台采集到的风电机组叶片图像进行图像灰度化、滤波增强、分割以及形态学处理,实现叶片损伤区域的识别;然后基于连通域分析原理来获取叶片损伤区域的几何特征和灰度特征等参数信息,并依此设计出风电机组叶片损伤类型识别分类器;最后将检测算法和分类器融合于所设计的风电机组叶片损伤可视化检测系统。试验表明,该系统对于表皮脱落、涂层破损、砂眼、油污及裂纹等典型叶片损伤的平均检测准确率为90.4%。

改进YOLOv8算法在风机叶片缺陷检测上的应用

风力发电机叶片,作为风力发电系统的核心组件,其健康状况直接关乎整个发电效率与运行安全。针对叶片缺陷检测的挑战,深入研究了YOLOv8n网络,并创新性地提出了高效多尺度卷积模块(EMSConv),该模块有效替代了传统残差块中的卷积层,通过分组卷积技术显著降低了冗余特征对检测结果的干扰,从而提升了检测的精确性。此外,在检测头部分,融入了Dynamic Head的多元化注意力机制,这些自注意力机制协同工作,跨越不同特征层,实现了对目标尺度、空间位置及检测任务的精准感知,极大地增强了目标检测模块的综合能力。还创新性地整合了Inner-IoU、Wise-IoU与MPDIoU,创造性地提出了Inner-Wise-MPDIoU,以替代传统的CIoU损失函数,这一举措不仅提高了网络的检测精度,还加速了收敛过程。在针对自制风机叶片缺陷数据集的测试中,YOLOv8-EDI展现出了卓越的性能,其mAP50值高达81.0%,相比原始YOLOv8n提升了2.3%;召回率也达到了76.8%,提升了3.7%。该模型在提升检测效果的同时,还实现了计算量的降低,降幅达5.5%,充分满足了工业环境下对风机叶片进行高效、准确、大批量检测的需求。

复合载荷作用下H型垂直轴风力机叶片结构多目标优化

为改善气动力、离心力和重力等复合载荷作用下的H型垂直轴风力机叶片的结构性能,提出一种多目标优化方法。以质量和最大应力最小为目标,最大变形为约束建立优化模型。通过流固耦合(Fluid-Structure-Interaction,FSI)方法,实现叶片表面压力的实时准确提取,建立复合载荷作用下的叶片有限元模型;基于最优空间填充(Optimal Space-Filling,OSF)方法和Kriging模型建立各变量对应力、质量和变形的响应面模型,进行灵敏度和变化趋势分析;最后采用多目标遗传算法(Multi-Objective Genetic Algorithm,MOGA)获得各变量的最优解,并进行结果验证。结果表明,优化后叶片质量减少了14.7%,各方位角下的最大应力减幅最大为7.8%,最大变形减幅最大为16.7%。研究结果可为复合载荷作用下叶片的结构优化设计提供参考。

风电叶片主梁结构的多尺度可靠性优化设计

针对风电叶片大型化所引起的材料性能不足以及可靠性难以保证等问题,研究了碳纤维复合材料在风电叶片中的应用和主梁结构的优化设计。基于复合材料的多尺度特征,使用代表体积单元(RVE)的均匀化方法预测其等效弹性属性;建立一个主梁结构的参数化有限元分析模型,对其在挥舞和摆振两个加载工况下进行分析;将位移、应力、等效塑性应变等响应作为约束函数,建立以轻量化为目标的可靠性优化模型。结果表明,经过可靠性设计优化后的风电叶片主梁结构满足可靠性和轻量化的要求,且其各部分材料的性能得到了充分的发挥。

基于多岛遗传算法和动量叶素理论的风力机叶片外形优化设计研究

通过调整标准NACA翼型的控制参数建立风力机叶片翼型,采用加权平均法定义优化目标函数,建立叶片外形优化模型。采用多岛遗传算法对优化模型进行求解,获得优化后翼型参数。采用Fluent软件对优化前后的风力机叶片压力梯度、气动性能进行仿真,结果表明,优化后风力机叶片的输出功率与风能利用系数增大,叶根处的弯矩减少。

基于多岛遗传算法的垂直轴风机翼型优化设计

为了解决垂直轴风力机的风能利用率在实际应用中低于水平轴风力机的问题,通过以多岛遗传算法为核心与翼型参数化、ICEM网格生成以及计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)流场计算相结合,并以翼型的升阻比为优化目标,建立优化模型,进而开发自动优化评估流程,完成翼型的优化设计与气动性能分析。结果表明:相比初始翼型,优化翼型是非对称翼型,其最大相对厚度降低1%,升阻比提高17.78%,升力系数提高16.7%,为0.11c(c为翼型的弦长);其最大相对厚度对应在弦上的位置向翼型的前缘移动了0.036c。且翼型弯度明显增加,中弧线偏移量最大值为0.0174c。优化翼型的前缘半径变化不大,但翼型尾缘夹角明显变小,翼型上翼面轮廓线相对平缓。

风电叶片多点静力测试神经网络偏差耦合控制策略

为解决风电叶片全尺寸静力加载测试中叶片参数出现变化时系统加载拉力偏离的问题,文中参照偏差耦合控制方式,通过建立基于偏差耦合控制的反向传播神经网络自整定比例积分微分控制算法,搭建基于Labview的静力测试仿真模型来验证算法的有效性。结果表明,该算法在叶片参数波动微弱情况下加载点拉力维持在较低误差;叶片参数在波动较大情况下加载点拉力出现轻微波动,但维持在符合测试标准内。由此可见,该算法有利于提高系统的鲁棒性,解决了系统拉力在参数变化时偏离的问题,提高了加载曲线的精度,增强了系统的自适应能力。

考虑认知不确定性的风力发电机维护决策优化

风电清洁又安全,然而,风力发电机存在维护成本高、难度大的特点。在将风力发电机作为多状态系统进行维护决策优化时,其各个状态的性能水平、状态转移概率和维护成本等很难精准得知,因而模型中会产生认知不确定性。以特定型号风力发电机的实际运行情况为背景,利用其运行过程中可能出现的多个性能水平进行多状态退化建模,提出一种基于模糊马尔科夫决策过程的风力发电机维护决策优化方法,再用三角模糊数量化模型中的状态转移概率、设备单位时间收益等参数的认知不确定性,最终实现求解。该方法旨在考虑模型认知不确定性下优化合理的维护决策,在工程中更好地实现兆瓦级风力发电机系统的收益最大化。

基于麻雀搜索算法优化的改进多核极限学习机的风机叶片结冰故障诊断模型

风机叶片结冰是风力发电中影响风电机组安全运行的常见问题,准确检测叶片结冰故障能有效提高风电场的安全性与发电效率。为提升风机叶片结冰故障诊断正确率,提出了一种基于麻雀优化改进多核极限学习机(SSA-IMKELM)的风机叶片结冰故障诊断模型。首先,将传统的多核极限学习机(MKELM)多参数的单一模型分解为3个子模型;其次,通过固定上一子模型的相关参数对子模型使用麻雀搜索算法(SSA)寻优,从而解决了单一的多参数模型寻优困难的问题;最后,设定限定条件,保证结冰故障诊断的正确率不会出现下降的问题。实验结果表明:SSA-IMKELM模型能够有效提升风机叶片结冰故障诊断正确率。

叶片非线性对风电机组动态特性的影响

为研究风力发电机组叶片非线性特性对风电机组动态特性的影响,利用Aerodyn接口计算气动载荷,导入控制器文件,并考虑系统零部件耦合关系,利用多体动力学软件SIMPACK建立刚柔耦合动力学模型,综合考虑变桨和偏航工况,对比线性和非线性梁叶片模型对系统响应的影响,结果表明,仿真时引入非线性梁叶片模型会适当降低叶根载荷和变形,对长叶片风机设计分析有一定的指导意义。

基于多目标遗传算法的风力机叶片全局优化设计

风力机叶片设计的目标多样性使得传统单一目标设计方法无法满足设计要求,大型风力机的高发电量与大负载之间的矛盾必须得到平衡。为此,以年发电量最大和叶片质量最轻为优化设计目标,通过多目标遗传算法设计5 MW大型风力机叶片,得到Pareto分布优化解集。与美国可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)设计的5 MW风力机叶片比较,结果表明,Pareto优化解集均一定程度优于参考叶片,年发电量最大提高量为3.3%,最大质量减少量为8.7%,其中优化设计叶片2在质量降低3.8%的基础上,提高了3%的年发电量,达到了优化设计的目的。优化设计叶片额定风况下推力系数和叶根弯矩均更小,最大功率系数更大。变风况下功率特性与参考叶片相差不大,低风速下设计叶片输出功率略高,推力系数更小。

多叶片风轮的试验模态测试与分析

采用试验模态分析的方法分别对单叶片、两叶片风轮、三叶片风轮、五叶片风轮和中心固定圆板进行了模态分析,得到了它们的实际模态振型。实验结果显示,单叶片的模态振型和多叶片的模态振型有较大不同,单叶片的结构动态特性不能代替整个风轮的结构动态特性;对比多叶片风轮和中心固定圆板,按照一定的对应关系,可以采用中心固定圆板的振型来研究多叶片风轮的挥舞模态振型。

兆瓦级风力发电机组多段权系数独立变桨控制

为了实现风力发电机3个桨叶的独立控制,依据风力机空气动力学原理、风轮扫及面内风速风切特性和塔影效应,提出了基于桨叶方位角信号的多段权系数分配独立变桨距控制方法.根据每个桨叶的方位角信号判断出该桨叶所在的风速区域,选取此区域所对应的相关权系数对3个桨叶统一的桨距角进行重新分配微调,将统一变化的桨距角转化为每个桨叶独立变化的桨距角.系统模型仿真结果表明,该方法不仅可以使3个桨叶桨距角能根据其受风情况做出相应变化,实现3个桨叶独立变桨,在稳定输出功率的同时减小桨叶拍打振动,而且能够根据简化的风力机模型进行变桨控制,方法简洁、有效、容易实现.

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。

基于多频简谐调制的风力机叶片裂纹检测研究

多频简谐激励调制是一种无损检测方法,采用低频振动信号和高频超声波信号在裂纹损伤处的非线性调制来检测损伤。以1 k W风力机叶片为实验对象,研究了多频简谐激励调制下,叶片裂纹位置和长度对结构非线性动力学响应特性的影响规律。研究结果发现,含裂纹损伤的风机叶片会出现明显的非线性调制现象,且随着裂纹长度的增加、以及裂纹位置距叶根越远,非线性调制现象明显增强。实验验证了该方法用于风机叶片早期裂纹损伤检测的可行性。

层状结构中的超声传播理论及其在风力机桨叶除冰中的应用

探索超声波对覆冰桨叶的作用机理,利用势函数推导出复合板层中各层界面应力的计算通式。根据相似原理,在有限元分析软件ANSYS中建立桨叶除冰的物理模型与有限元模型,通过数值计算确定超声波除冰的最佳频率。利用自行开发的6套超声波除冰设备在人工环境实验室中进行桨叶除冰实验,对比数值计算结果与实验结果,验证数值计算数据的有效性,并分析设计的超声波风力机桨叶防除冰原型系统的可靠性。

风力机预弯叶片多目标优化设计

在风力机预弯叶片的设计中,叶片弦长扭角分布、铺层结构与弯曲型线之间存在着复杂的耦合设计关系,具有良好性能的叶片不仅要求年发电量高、重量轻,而且要求对主机产生的载荷小。为了使设计叶片在其生命周期内能经受各种复杂的工况,文章提出在组合危险工况下进行叶片的极限设计载荷计算,基于提出的叶片预弯型线设计方法构建了预弯叶片的气动外形和铺层结构一体化优化设计模型,以叶片的年发电量最大、质量最小和对主机的载荷最小为目标,以叶片的气动外形及叶片铺层结构的关键参数为设计变量,在满足材料强度、叶尖最大变形、振动频率的约束条件下,采用多目标粒子群算法(MOPSO)对现有的某1.5 MW风力机叶片进行优化设计。结果表明,优化设计得到的叶片Pareto最优解集可满足主机不同的匹配需要,对最优解集叶片进行分析,挑选得到了综合性能比原1.5 MW风力机叶片均有较大提高的新叶片。

多轴向经编复合材料在风电叶片制造中的应用

文章通过综述分析多轴向经编织物的结构与性能,论述了将多轴向经编技术用于风力发电叶片的可行性和优势,并阐述了多轴向经编织物复合材料的良好发展前景。