考虑大变形的柔性风电叶片气弹性分析

针对超长柔性风电叶片在传统线性(小变形)条件下发生动力学分析失效的问题,提出考虑大变形结构的柔性叶片模型并进行气动弹性分析。首先将叶片简化成非均匀悬臂梁,利用大变形Euler-Bernoulli梁模型进行离散化建模;后结合叶素动量理论,建立叶片的非线性结构动力学方程,并运用Newton-Raphson和逐步积分相结合的方式进行时域仿真。整个过程重点考虑大变形结构的刚度变化、以及柔性叶片截面扭转运动和外形变化。以DTU 10 MW风力机为算例,比较叶片在大变形和小变形结构下的动态气动特性,结果表明:动态响应中,大变形结构的刚度变化导致挥舞方向的叶尖位移明显增加,略微减小摆振方向的位移,同时叶尖扭角也会显著减小。此外,叶根面外载荷在大变形条件下会显著下降,但叶根面内载荷则会略微增加。这与传统线性条件下的气弹现象具有明显差异。该文的叶片模型能有效预测长柔叶片的动态气动特性。

风电叶片全尺寸静力测试的形变分析

针对风电叶片静力测试过程中叶片大挠度变形和叶根连接法兰变形对截面弯矩与形变测量精度的影响,本文分别基于柔度法和逐段刚化法得到叶片挠度以及变形后叶片承受弯矩的计算公式,进一步修正法兰变形带来的影响,并建立风电叶片多点静力加载的仿真模型,对比理论计算结果和有限元仿真数据。结果表明设计加载方案时考虑大挠度变形,可以降低靠近叶根区域截面的弯矩误差至1.07%;修正法兰变形带来的叶片挠度后,5.7 m处叶片挠度计算误差减小0.1%,从而可以确保全尺寸叶片静力加载的测试精度。

尾缘襟翼结构参数对大型风机气动性能影响的仿真研究

利用FAST仿真平台,研究了大型风机智能叶片的尾缘襟翼结构参数对叶片载荷抑制和功率捕获等气动性能的影响。仿真结果表明:尾缘襟翼位于叶尖部位时,在不同风况下,襟翼对叶片具有较好的降载效果,低风况及过渡风况下,功率捕获损失较小;增加襟翼占弦比、长度和摆角范围,在低风况及过渡风况下,可进一步提高叶片的降载能力,但存在一定的功率损失;在高风况下,襟翼占弦比、长度和摆角范围均存在提高叶片降载能力的最佳值,且这3个参数的变化对功率捕获无影响。

风力机叶片大挠度挥舞振动特性分析

分析了风力机叶片大挠度挥舞振动特性.基于Hamilton原理,建立了叶片大挠度挥舞振动控制方程,其中非稳态气动力由Greenberg公式得出.使用瑞利-利兹法求解振动特征问题,得到振动的频率和无阻尼模态函数.基于得出的模态函数,使用Galerkin方法将控制偏微分方程离散,得到模态坐标方程.将振动位移分解为静态位移和动态位移,得到了静态位移和动态位移方程,考查了入流速度比对静态位移和气动阻尼的影响,并对大挠度挥舞振动动态响应进行了分析,得到如下结论:大挠度挥舞振动静态位移沿叶片展向随入流速度比的增大而增大,叶尖处位移最大;当入流速度比较小时,振动为小振幅的周期运动,入流速度比较大时,振动为大振幅的拟周期运动.

考虑叶片桨距角和干扰效应的大型风力机体系风致效应研究

以某5 MW大型风力机为对象,首先基于大涡模拟(LES)技术进行考虑不同叶片桨距角影响的大型风力机体系非定常流场和气动力模拟,并与规范及实测结果进行对比,验证大涡模拟的有效性。在此基础上,结合有限元方法系统分析不同叶片桨距角下风力机塔架-叶片耦合体系的动力特性、风振响应、屈曲稳定性能和极限承载能力。研究表明:0°叶片桨距角下塔架显著干扰区段迎风面0°处出现负压,叶片顺风向位移响应极值最大值为3.98 m。随着叶片桨距角的增大,塔顶径向位移、各叶片顺风向位移和叶根剪力的均值和均方差均呈逐渐减小的趋势,且叶片桨距角在30°~50°范围内出现显著变化。叶片桨距角为0°时风力机体系风致响应最为不利,当叶片桨距角为90°时,体系屈曲性能和极限承载力最为不利。

抑制风力发电机叶片高频振动的尾缘襟翼主动控制方法

针对叶片的高频振动,阐述了抑制风力发电机叶片高频振动的尾缘襟翼主动控制方法。结构模型是基于周向反对称刚度(CAS)铺层设计的复合材料叶片梁模型,基于弹性挥舞/扭转位移的分析,纳入了由步进电机驱动的尾缘襟翼的角度控制。气弹系统的气动力是基于一种新颖的适合于尾缘襟翼的准稳态模型,其偏微分气弹方程组的求解是基于Galerkin法的离散化。通过基于尾缘襟翼摆角的主动控制成功抑制了叶片高频振动。主动控制是基于线性矩阵不等式(LMI)设计和状态观察器设计的H∞控制算法,其研究基于时域响应的稳定性分析和鲁棒控制方法,实现位移响应分析、鲁棒性能分析,以襟翼角度输入控制信号展示。LMI的优化机理是在选定鲁棒控制参数的基础上,优化不确定的鲁棒性能参数,使得被控位移和控制输入均保持在一个合理的范围。为降低全状态反馈时状态变量检测的误差影响,利用状态重构和状态观察器来改善控制性能,同时,对比不同的鲁棒性能参数和不同的风速激励下的高频振动控制结果,验证了基于LMI的H∞控制算法的可靠性和鲁棒性。基于S7–300 PLC和WinCC组态软件的“实时OPC技术”,采用一种过程控制实验,验证了控制算法在工程应用中的可行性,因为算法复杂性而无法在常规控制器硬件中运行的智能控制算法,提供了一种实时工程应用的可行性方案。

考虑几何非线性的风力机叶片气弹模型

针对大型轻型柔性叶片存在的几何非线性变形情况,基于几何精确梁理论建立了非线性叶片梁单元,考虑了叶片预弯预扭、各向异性、变形耦合以及截面偏心的特点。对非线性结构方程的数值求解方法进行了探讨。结合动量叶素理论建立了可用于分析叶片大变形动态响应问题的几何非线性气弹模型。通过两个算例验证了结构模型的正确性。以NREL 5MW风力机叶片为研究对象,分析了叶片静态变形、固有频率、以及在阵风、偏航错误条件下的动态响应,并与FAST计算结果进行了对比,结果表明,在静态变形范围内几何非线性气弹模型与FAST非常好的吻合,进一步验证了该模型计算正确性。通过降低叶片截面弯曲刚度,发现在叶片大变形时,几何非线性气弹模型可以获得更准确的结果。

风力机智能叶片气弹建模与主动控制仿真研究

为研究大型风力机智能叶片的气弹特性及尾缘襟翼对叶片形变和疲劳载荷的影响,以带有尾缘襟翼的NREL 5 MW参考风力机为研究对象,综合柔性叶片的旋转、重力、阻尼和气弹耦合等因素,建立了智能叶片多模态挥舞气弹模型,并与FAST平台进行仿真对比。基于LMS算法设计了尾缘襟翼主动控制器,在湍流风况下对叶尖偏移量进行控制仿真。结果表明:该气弹模型的准确度较高;尾缘襟翼主动控制方法可以有效减小叶尖偏移量波动并降低叶片疲劳载荷。

超大型风机叶片公路运输振动控制

超大型风机叶片有超长、超重、柔性和易损等特点,尤其是其超高超宽的根部给叶片的公路运输带来了巨大的困难。针对上述运输特点和要求,着重分析前牵引车与叶片连接装置,提出风机叶片举升液压缸与蓄能器、节流阀组成的新型运输的方案,对超大型风机叶片公路运输振动控制进行研究。分析结果表明,新型运输装置有良好的减振效果,提升了风机叶片运输车的通过性和安全性。

大型风力发电机叶片振动测试与分析

近年来发展大容量风电机组成为风力发电行业发展的趋势。为了充分吸收风能,提高发电效率,风电机组叶片质量和长度不断增加,叶片对风电机组运行安全性和稳定性的影响也更加明显。另外风电机组叶片因为结冰或者风速与风向突变导致其振动过大、载荷超出设计极限而断裂的现象也时有发生。为了解大型风电机组叶片振动的基本情况和影响叶片振动强度的相关因素,对某海上风电场一台大型风电机组的叶片振动进行测试,同时收集风电机组环境风速、转速、功率等工况信息。可以发现:风电机组运行过程中叶片摆振方向的振动强度是挥舞方向振动强度的1.3倍左右;摆振方向的振动频率主要集中在叶片2阶固有频率位置,挥舞方向的主要振动频率是风电机组转速的倍频。叶片振动的强度与环境风速、转速和功率都有明显的相关性。研究结果可为大型风电机组控制策略优化提供依据,也可为风电机组叶片振动监测和故障诊断提供参考,同时可丰富大型风电机组叶片的研究资料。

风力机叶片挥舞振动特性分析

基于Hamilton原理建立了叶片小挠度挥舞振动模型,以及轴向拉伸和横向弯曲耦合的大挠度挥舞振动模型。根据这两个模型,采用假设模态法计算了叶片挥舞振动的固有频率,分析了转速和锥角对固有频率的影响,并比较了这两个模型下挥舞特性的差异,得到如下结论:1)叶片挥舞振动固有频率随转速增加而增大,转速对频率影响显著;2)固有频率关于零锥角对称,随锥角绝对值的增大而减小,锥角对频率的影响随转速的增加而愈加显著。

大型风力机叶片模态性能及振动分析

为研究大型风力机叶片铺层参数对叶片动态性能的影响、防止叶片发生共振、减小叶片挠度、改善叶片结构力学性能和提高风力机安全性，建立了5MW风力机叶片的有限元模型，通过改变铺层材料和铺层角度实现不同的叶片结构，并对成型叶片进行了模态分析；采用CFD方法获得叶片表面载荷，分析不同风速下不同铺层结构叶片振动性能，结果表明：复合材料铺层角度能影响叶片固有频率，叶片低阶振型以挥舞和摆振为主，高阶模态出现扭转；增加0°铺层纤维比例可提高低阶固有频率，45°铺层能提高叶片抗扭能力；叶片振动位移沿叶片展向呈非线性增长，风速越大叶片挠度越大；碳纤维可有效提高叶片固有频率，减小叶片挠度。

风力机叶片非线性挥舞分析

将风力机叶片简化为绕轮毂旋转的变截面Euler-Bernoulli悬臂梁,基于Greenberg公式给出非线性气动力,建立叶片挥舞振动非线性控制方程.由于变截面梁的弯曲刚度和线密度是沿梁轴线变化的函数,无法给出模态函数解析式,论文提出使用假设模态法计算的模态函数,作为基函数对控制方程进行Galerkin截断,通过将挥舞振动分解为静态位移和动态扰动合成,对其进行动态响应分析,同时讨论了叶轮转速、风速和旋转位置对振动特性的影响.研究表明:(1)叶轮转速对叶片挥舞特性影响显著,风速和叶片转角对振动特性影响很小.(2)静态位移随风速增加而增大,大体上成线性关系,气动阻尼随风速增加而减小.(3)风速较低时,非线性挥舞振动表现为衰减振动,随着风速增加,振动由衰减振动演化为周期运动,再由周期运动演化为拟周期运动.

大型海上风电叶片载荷智能控制研究

近年来海上风电机组大型化已成为风电行业主要发展趋势之一。与此相应,柔性大变形风电叶片气弹效应将更加增强,致使叶片乃至整机载荷更大,严重危及机组的安全、可靠运行。为此,本文根据国际叶片载荷控制新概念—"智能叶片",系统地总结了团队过去相关气动-伺服-弹性模型构建、系统在通常和极限风况下可靠性与参数影响等工作和取得的进展,并在此基础上,在国际上首次揭示了气弹耦合控制机理。这些成果的取得为未来大型海上风电机组叶片和机组优化设计提供了有价值的理论依据。