风力机叶片气热除冰技术研究现状与展望

风电机组叶片结冰给风电场的运行安全和发电效益带来双重困扰,因此迫切需要对结冰较严重的风力机进行除冰技术改造。本文首先对风力机叶片4种除冰技术进行对比,并对其原理、适用性和可靠性进行了分析和比较。重点阐述了现有气热除冰技术的4种技术路线及方案,讨论了气热除冰技术方案的经济效益和热传递效果,并对气热除冰存在的主要问题进行说明。系统论述了该技术在能量利用效率和除冰效率方面仍具有极大的改进和提升空间,提出了气热除冰设备在标准化、控制系统轻量化、系统效率提升等方面的一些设想和展望。     

大型风力机叶片铺层及模态分析

使用ANSYS软件,自下而上建立风力机叶片的有限元模型,使用单元类型SHELL 99对叶片模型实行铺层。运用有限元方法,对几组铺层方案进行叶片的模态分析,结果显示大型风力机叶片梁帽的铺层对频率及相对位移影响最大,增加梁帽铺层数可更好地提升叶片的结构动力学性能。     

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5 MW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。     

铺层材料单层厚度对风力机叶片低阶模态频率的影响分析

针对大型风力机叶片铺层材料单层厚度对叶片模态频率的影响作用,对铺层材料单层厚度间的耦合机制进行研究。采用Box-Behnken法设计实验,建立叶片铺层单层厚度与其第一阶模态频率间的响应面模型,揭示叶片不同铺层材料单层厚度对模态频率的影响规律。以叶片前两阶模态频率为优化目标、以铺层材料单层厚度为设计变量建立优化数学模型,并采用遗传算法与有限元法结合进行全局寻优。以某企业1.5 MW叶片为算例,结果表明,优化后叶片第一阶挥舞、摆振频率均提高了0.07 Hz。     

2 MW风电机组叶片防除冰试验与能耗评估

文章针对凝冻积冰环境下风电机组叶片气热法防除冰技术展开现场试验,验证其防除冰效果及加热能耗。首先,分析了叶片表面结冰复杂过程并模拟计算NACA64618翼型表面积冰分布;然后,结合2 MW风电机组构建叶片主动气热法防除冰系统并实施现场示范工程;最后,开展了风电机组叶片静态除冰试验、防冰试验及防冰生产运行试验,辅助全景红外热成像检测分析叶片防除冰效果及加热能耗。试验结果表明,在冰厚为30 mm并控制加热温度为50℃的前提下,持续加热2 h后叶片表面开始融冰脱落,加热能耗功率不足50 kW。可为风电机组叶片气热法防除冰的工程应用系统设计提供参考。     

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。     

基于气动弹性剪裁风力机叶片结构稳定性分析

为提升风力机叶片结构稳定性,改善叶片局部屈曲现象,研究铺层参数对叶片结构稳定性的影响。建立1.5 MW风力机叶片的三维模型和铺层结构,并与实验值对比验证模型的质量和固有频率的准确度。借助CFD计算获得叶片表面的分布压力,以此为载荷对不同铺层角度叶片进行稳定性分析。计算结果表明:叶片在额定风速载荷下不会发生屈曲,满足设计要求;叶片后缘区结构设计较薄弱,局部屈曲主要出现在该区域;增加叶片尾缘铺层角度,保持主梁铺层角度不变,能提高叶片整体稳定性。     

铺层参数对风力机叶片静态结构性能的影响分析

复合材料风力机叶片的性能因铺层参数的变化而不同,为了优化铺层方案,探讨了铺层参数对风力机叶片静态结构性能的影响。以某1.5 MW风力机叶片距叶根1/3段为对象,建立其有限元模型,计算叶片在极限工况下各截面的载荷;分析该叶片铺层所采用的单、双、三轴向布的基本力学性能,得出可行替代方案。通过对不同铺层角度、铺层顺序和铺层比例的代表性铺层方案进行分析对比,初步得出叶片具有良好性能的铺放参数。在此基础上,优化原有设计方案,结果表明改进后叶片的失效因子和变形明显降低,验证了所得结论的正确性。     

基于电加热法的自控型防冰除冰叶片结构研究

基于对风力机叶片表面覆冰的条件、影响因素、结冰位置等方面的分析研究,本文提出了一种基于电加热法的自控型防冰除冰叶片结构。该结构通过采集风力机周边的结冰因子状态参数,由监控系统和控制系统组成的激发控制器自动启动或关闭风力机防冰除冰加热装置,以实现对叶片防冰或除冰。从而解决结冰期风力机发电稳定性问题,使结冰期真正成为风力发电的高产季节,提高风力发电厂的经济效益和社会效益。     

大型风力机叶片气动与结构耦合优化设计研究

针对大型风力机风轮气弹效应对叶片结构的影响作用,对叶片结构优化设计的理论模型建模方法进行研究。采用叶素动量理论和梁理论,并结合遗传算法,将叶片各截面弦长、扭角和铺层厚度3个形状参数作为优化设计的变量,提出一种以叶片最小重量作为结构优化设计目标的理论模型。以1.2 MW风力机叶片为例,对优化前后叶片的3个形状参数与风力机功率特性间关系进行的计算分析表明,考虑叶片气弹变形的影响作用不仅能提高风轮的风能利用系数,且能减小叶片的截面质量线密度,进而降低叶片的制造成本。     

复合材料风力机叶片刚度剪裁结构特性研究

复合材料风力机叶片的性能因铺层参数变化而不同,为了改善铺层方案,探讨了铺层参数对叶片结构性能的影响。基于有限元分析法,采用玻璃钢复合材料建立不同层合板结构,实现叶片材料的刚度剪裁,对1.5 MW风力机叶片铺层,并通过CFD软件模拟流场对叶片施加载荷,对叶片进行结构特性分析。对比不同铺层方式对叶片结构的影响,结果表明:叶片叶根处受到载荷最大,0°铺层纤维抗弯性能最佳;叶片几何突变区域强度主要受面内剪切应力影响,45°纤维具有最佳的抗剪能力;0°纤维起承载作用,±45°纤维起传递载荷的作用,0°和±45°纤维含量分别为90%和10%时,叶片变形量表面应力值最小,叶片整体性能较佳。     

基于响应面法的仿生风力机叶片可靠性分析

根据风力机的基本理论和相似理论在有限元软件ANSYS中建立了一个翼型为SG6050,半径为1m的小型风力机叶片模型,运用结构仿生学原理,对所设计的风力机叶片进行铺层,其角度范围介于5°～90°之间,为体现中轴的对称性,正负铺层同时出现。利用基于响应面法的可靠性理论,比较了不同铺层方式下风力机叶片的可靠性。计算结果表明:可靠指标较高的角度集中在40°～70°之间,而以65°铺层可靠指标最大,即其失效概率最小,而在5°与90°附近的铺层其可靠指标相对较小。     

风力机叶片动态性能与仿生特性研究

以750kW水平轴风力机为研究对象,利用ANSYS复合材料单元,建立了风力机叶片数值模型。应用叶片结构振动有限元方法,从植物叶片叶脉动、静态特性出发,研究分析了风力机叶片叶素形状与材料铺层因素对其振动模态的影响,并初步探讨了风力机叶片仿生植物叶片的可行性。结果表明:不同的叶素形状可以改变叶片惯性矩,惯性矩越小,叶片的振动性能越好,与植物叶片振动特性相似;叶片材料的铺层分布对其振动模态的影响存在一定的规律,并与植物叶片叶脉分布规律相对应;两种因素对振动模态的影响效果可以叠加。     

水平轴风力机叶片的截面与动力特性分析

风力机叶片在旋转过程中受重力和离心力作用,产生动力刚化导致固有频率增加。文章以NRELPhase VI风力机叶片为对象,在其内部分别添加圆形腹板、单腹板和双腹板,建立3种不同截面的叶片三维模型,并结合复合材料对叶片铺层进行动力学分析。结果表明,叶片采用的铺层方案能有效避免共振,并且3种叶片模型的重量均接近叶片的真实值。在额定转速下,3种腹板叶片的一阶频率增量随腹板的厚度增加而增加,但在两倍额定转速时,单腹板和圆形腹板的一阶频率增量随腹板厚度增加而减少;同时,腹板中的双轴向玻璃布材料以±45°铺设时,一阶固有频率最大,而由动力刚化引起的一阶频率增量较其他角度小。     

基于SMA的大型风力机叶片振动被动控制研究

将SMA粘贴在大型风力机叶片的表面形成新的智能叶片结构,并探讨伪弹性SMA对叶片的振动抑制效果。采用SolidWorks与Excel软件相结合的方法建立风力机叶片三维壳体模型,基于ANSYS ACP模块对含SMA的复合材料叶片进行铺层设计,并验证该模型;考虑叶片的弯扭耦合效应及重力影响,基于有限元理论建立含SMA的运动学方程,采用模态叠加法求解其静态响应、谐响应及随机振动。分析结果表明：由于SMA的存在,不同静态载荷作用下,SMA的应力-应变之间均形成封闭的滞后环;将叶片的固有频率移向更高的频率,各阶模态对应的振幅明显降低。在振动能量带宽0.5~2.4 Hz的范围内,含有SMA层强化的风力机叶片振动能量响应值降低更为显著。     

基于气动弹性剪裁的风力机叶片模态分析

本文为研究叶片铺层参数对叶片动态特性的影响,防止叶片产生共振,改善叶片力学特性,建立了1.5 MW风力机叶片的有限元模型,通过改变铺层角度和铺层纤维比例实现多种不同层合板结构的叶片铺层,并对上述各种铺层叶片结构进行了模态分析,获得了各模型的前六阶固有频率和振型,分析了铺层参数影响叶片动态特性的原因。结果表明:复合材料具有显著各向异性,通过改变铺层角度能影响固有频率大小;叶片低阶振型以挥舞和摆振为主,增加0°铺层比例能提高低阶固有频率;叶片高阶模态出现扭转,45°铺层能提高叶片抗扭能力,有利于增加高阶固有频率。     

兆瓦级水平轴风力机叶片铺层设计参数影响分析

为研究主梁材料及铺层角度对风力机叶片结构特性影响,基于三维建模软件NX二次开发建立风力机叶片几何模型,结合铺层设计并通过CFD方法获取叶片表面压力分布,采用有限元方法对叶片进行结构模态、强度及屈曲分析。结果表明:碳纤维主梁叶片质量较玻璃钢减轻约8.08%,主梁材料对模态振型影响较小,主梁铺层角度对挥舞方向运动影响更大;0°铺层主梁叶片共振破坏风险低且应力应变峰值均最小,碳纤维主梁叶片较玻璃钢应力及应变峰值降幅最大约20.57%、26.51%;主梁0°铺层时叶片屈曲因子最大,而60°铺层时最小,碳纤维主梁叶片较玻璃钢临界屈曲载荷增幅最大约17.84%,有效降低屈曲失稳风险;额定工况下,叶片局部屈曲域在近叶尖处尾缘区和近叶根处最大弦长截面前缘区。     

2 MW风机叶片气热法防除冰的传热试验研究

在凝冻地区风电场采用气热法进行风机叶片防除冰工程应用时,叶片传热试验至关重要。文章针对现场2 MW风机叶片,结合叶片重点结冰区域分布,设计研发叶片传热试验系统并实施9 h传热试验。试验采用12支温度传感器和红外热成像技术监测记录叶片温度,并分析叶片传热过程及传热效果。传热试验结果表明,在叶片前缘通道内施加30 kW加热器持续加热叶片本体,无日照时叶片前缘外表面15 m处温度为39.4℃,40 m处温度为25.3℃,温升在10℃以上,且分别沿叶尖和后缘两侧方向呈现递减分布。验证了利用气热法对该复合材料叶片进行防除冰,在理论上和技术上是可行的。     

考虑翘曲效应的风力机叶片弯扭耦合特性计算方法

为了研究截面翘曲对大型风力机叶片弯扭耦合特性的影响,分别建立考虑翘曲效应和不考虑翘曲效应的梁模型,并对叶根截面、翼型截面特性进行了计算,表明考虑翘曲效应的梁模型在计算叶片截面刚度时得到的结果更准确。采用考虑翘曲效应的方法计算了5 MW风力机叶片的截面刚度,分析了叶片梁帽铺层角度对风力机叶片弯扭耦合特性的影响。结果表明,无论是否考虑翘曲效应,获得最大弯扭耦合特性的梁帽铺层角度都为20°;在同样的梁帽铺层角度下,翘曲效应对叶片不同部位(特别是在翼型过渡区域及气动翼型区域)的弯扭耦合系数影响很大。     

5 MW风力机叶片模态特性分析

为了研究叶片铺层和主梁形式对大型自适应叶片动态特性的影响,利用Ansys软件建立了5 MW风力机叶片的有限元模型.对不同梁帽铺层角度和主梁形式的叶片进行了模态分析,给出了各模型的前十阶固有频率和振型,分析了叶片梁帽铺层角度、主梁形式和转速对风力机叶片固有频率的影响.结果表明：叶片梁帽铺层角度和叶片主梁形式对固有频率具有重要影响;在叶片的弯扭耦合设计过程中,要考虑设计参数对叶片模态特性的影响,以避免叶片发生振动性能失效.