风力机叶片气动弹性和颤振主动控制研究进展

文中首先结合国内外研究进展情况概括总结了大型风力机叶片气动弹性等效梁建模理论,以及解决风力机叶片气动弹性稳定性问题的常用方法:BEM方法、动态失速模型和CFD方法.其次,对在现代大型风力机叶片设计中颇受关注的,智能材料在风力机叶片结构颤振及振动主动控制中的应用研究现状也给予了简要的介绍.最后指出一些尚待进一步研究的问题,以及今后的发展方向.     

兆瓦级风力机叶片的改进型BEM理论研究

近年来在风力机大型化的趋势下,为提高大型风力机叶片性能,研究推导了改进型BEM法,并验证其在兆瓦级风力机叶片设计领域的可行性。基于经典动量理论,引入叶根及叶尖损失因子的Prandtl修正和Glauert修正,在修正推力及转矩表达式的基础上,结合R. Lanzafame等基于BEM理论和角动量理论推导出的推力及转矩表达式,进而推导出轴向诱导因子及切向诱导因子函数表达式,再对轴向诱导因子进行Spera修正和必要简化;同时,结合兆瓦级风力机叶片设计特点及载荷特征,给出了大型风力机叶片翼型的选择原则,为设计叶片提供了参考依据。以1.5 MW风力机叶片为实例研究,对比研究了改进型BEM法及经典Glauert法在兆瓦级风力机叶片设计领域的应用特点,验证了改进型BEM法在兆瓦级风力机叶片设计领域的正确性,为风力机叶片理论的进一步发展奠定了基础。根据叶片设计结果,探讨了叶片特征参数沿翼展方向的分布规律,为深入研究兆瓦级风力机叶片特征机理奠定基础。     

风力机叶片气动外形优化设计综述

近年来,可再生能源发展很快,包括太阳能、风能、水能等,其中风力机是风能发电的主要形式。风力机通过叶片的转动将风能转化为机械能,故叶片对风的捕获能力是风能利用效率的重要影响因素,这涉及风力机叶片空气动力学问题,而叶片气动外形设计对其气动效率有着至关重要的作用。首先介绍了风力机空气动力学理论和气动计算模型,它们是气动设计的基础,然后分别介绍了传统的气动外形优化设计方法和现代优化设计方法。指出了风力机叶片设计的多学科、多目标发展趋势,以及开发风力机设计软件的迫切需要。     

新型风力机叶片研究与应用

研究风力机叶片的发展趋势及现状,提出一种新型智能风力机叶片结构,并初步设计了风力机叶片结构和运行控制策略。该智能叶片可提高低风速时的风力机捕风能力,并能有效稳定高风速时的功率,同时降低载荷,有效解决了长叶片运输过程的难题。可见,降低风力机运输成本,对于提高风力机的捕风能力和降低风力机成本具有重要意义。     

水平轴风力机叶片研究现状及展望

风力机叶片是风力发电机捕获风能的直接"媒介",作为风力发电机的关键部件,得到了国内外众多学者的重视。为了更加全面地掌握风力机叶片的发展现状及趋势,文中对水平轴风力机叶片在气动设计、结构设计和有限元分析等方面的研究现状进行了介绍,并主要对叶片新翼型设计、气动外形设计、结构设计及三维建模中存在的主要问题进行了论述。另就叶片气动设计中较常用的Wilson方法提出了分割叶素数对设计结果影响显著的观点,对风力机叶片设计方法的改进具有启示作用。最后,对风力机叶片在气动设计和结构设计等方面提出了展望。     

风力机叶片气动外形与主机运行特性耦合优化设计

在叶片的优化设计中,叶片的气动外形与风力机主机的稳态运行特性存在耦合设计关系,一方面叶片的外形形状决定主机的稳态运行特性;另一方面对不同外形形状的风力机叶片应设计与之相匹配的风轮转速、叶片桨矩角等主机稳态控制策略,进而才能准确的计算和提高叶片在低风速条件下的气动性能。基于高阶贝塞尔曲线和粒子群算法构建了叶片气动外形的优化设计模型,在最大叶根弯矩和风轮推力的约束条件下,以年发电量最大为目标对某1.5MW叶片进行了优化设计。结果表明,提出的优化设计方法可实现风力机叶片气动外形和稳态运行特性的一体化优化设计,提高了风力机在低于额定风速下的气动性能,研究方法可运用于低风速超低风速风力机叶片的设计中。     

基于钝尾缘翼型叶片的三维风力机性能分析

随着风力机向大型化发展,为有效提升风力机叶片的性能以及结构强度,将钝尾缘翼型应用于风力机叶片设计。以NACA639XX系列翼型为基准翼型,通过Hicks-Henne型函数和钝尾缘函数对翼型进行参数化拟合,使用多岛遗传算法优化得到层流钝尾缘翼型族(USST-XXX)。将此翼型族中相对厚度为21%的USST-211翼型与NACA63921层流翼型替换NREL PhaseVI叶片截面的S809翼型,建模得到两种三维风力机叶片,采用数值模拟的方法,对这两种叶片不同风速下的流场进行分析,并与NREL Phase VI风力机叶片的气动性能进行对比。数值模拟结果表明,在额定风速附近,采用层流钝尾缘翼型所构造的新叶片风力机的风能利用系数高于其他两种叶片。研究结果表明优化得到的层流钝尾缘翼型族可以有效提升风力机气动性能,在大型水平轴风力机叶片设计方面具有良好的应用前景。     

3MW风力机叶片设计建模与模态分析

叶片是风力机的重要部件,总结叶片设计流程,选择合理设计参数,设计出3 MW水平轴风力机叶片。因叶片为一易发生振动的细长弹性体,且叶尖小翼虽可增加风力机的输出功率,但必然对叶片的结构强度产生影响。因此对叶片进行重力预应力模态分析,确定叶片的各阶模态振型、频率、最大变形量及最大应力,得出叶尖小翼对叶片模态分析结果的影响。     

湍流模型下风力机叶根螺栓动载强度分析

叶根螺栓作为风力机叶片的重要连接紧固部件,在风力机运行过程中具有重要作用.以2 MW风力机叶片与变桨轴承连接螺栓为研究对象,建立了三维湍流气动载荷、重力载荷和离心力载荷作用下的风力机叶根螺栓动态强度分析模型.在正常运行与部分螺栓断裂失效两种情况下,通过有限元分析得到叶根连接螺栓的应力分布.与传统螺栓强度分析相比,能够得到更为真实的叶根螺栓应力变化趋势、最大应力值及其所在位置.为能够更加准确的对叶根某些关键点进行重点监测提供理论依据,对于保障风力机的正常运行有着重要意义.     

大型风力机叶片气动外形设计及三维实体建模研究

针对大型风力机叶片气动外形设计方法,基于动量-叶素理论,通过Wilson设计法,对1.5MW风力机叶片进行气动外形设计,并提出一种风力机叶片三维建模的方法 ,为叶片的气动性能计算和结构设计与分析奠定了基础。     

风力发电机叶片状态监测与故障诊断技术近况

风力发电技术是新能源发电技术领域的重要研究方向,也是目前风能的主要利用方式,故风力发电机叶片稳健工作是风力发电过程的关键保障,对风力发电机叶片状态的实时在线监测技术也成为该领域的重要研究内容。该文回顾了风力发电机叶片机械故障的产生原理、现有的风力发电机叶片状态监测技术,对比了现有各技术的优势和劣势,分析了未来叶片检测技术的发展趋势。     

风电叶片三维参数建模及振动分析

利用目前风力机叶片设计普遍采用的优化设计方法Wilson设计方法,通过MATLAB编程,开发了小型叶片气动设计的应用程序,并利用该程序设计了一台3kW小型水平轴风力机叶片.采用MATLAB和ANSYS共同建立了风力机叶片三维有限元参数模型,MATLAB编制的建模程序提高了初期设计效率,缩短了ANSYS分析前处理时间.在此基础上进行了叶片固有振动特性计算,分析了叶片的振动特性及其与结构参数之间的关系,分析方法和结果对风电叶片的结构设计和动力分析有一定的参考价值.     

Integrated aero-structural optimization design of pre-bend wind turbine blades

In the optimization design of a pre-bend wind turbine blade, there is a coupling relationship between blade aerodynamic shape and structural layup. The evaluation index of a wind turbine blade not only shows on conventional ones, such as Annual energy production (AEP), cost, and quality, but also includes the size of the loads on the hub or tower. Hence, the design of pre-bend wind turbine blades is a true multi-objective engineering task. To make the integrative optimization design of the pre-bend blade, new methods for the blade’s pre-bend profile design and structural analysis for the blade sections were presented, under dangerous working conditions, and considering the fundamental control characteristics of the wind turbine, an integrated aerodynamic-structural design technique for pre-bend blades was developed based on the Multi-objective particle swarm optimization algorithm (MOPSO). By using the optimization method, a three-dimensional Pareto-optimal set, which can satisfy different matching requirements from overall design of a wind turbine, was obtained. The most suitable solution was chosen from the Pareto-optimal set and compared with the original 1.5 MW blade. The results show that the optimized blade have better performance in every aspect, which verifies the feasibility of this new method for the design of pre-bend wind turbine blades.

     

A data driven approach for condition monitoring of wind turbine blade using vibration signals through best-first tree algorithm and functional trees algorithm: A comparative study

Wind energy is one of the important renewable energy resources available in nature. It is one of the major resources for production of energy because of its dependability due to the development of the technology and relatively low cost. Wind energy is converted into electrical energy using rotating blades. Due to environmental conditions and large structure, the blades are subjected to various vibration forces that may cause damage to the blades. This leads to a liability in energy production and turbine shutdown. The downtime can be reduced when the blades are diagnosed continuously using structural health condition monitoring. These are considered as a pattern recognition problem which consists of three phases namely, feature extraction, feature selection, and feature classification. In this study, statistical features were extracted from vibration signals, feature selection was carried out using a J48 decision tree algorithm and feature classification was performed using best-first tree algorithm and functional trees algorithm. The better algorithm is suggested for fault diagnosis of wind turbine blade.     

The inception of OMA in the development of modal testing technology for wind turbines

Wind turbines are immense, flexible structures with aerodynamic forces acting on the rotating blades at harmonics of the turbine rotational frequency. These harmonics are comparable to the modal frequencies of the structure. Predicting and experimentally measuring the modal frequencies of wind turbines have been important to their successful design and operation. Performing modal tests on wind turbine structures over 100 m tall is a substantial challenge, which has inspired innovative developments in modal test technology. For wind turbines, a further complication is that the modal frequencies are dependent on the turbine rotation speed. The history and development of a new technique for acquiring the modal parameters using output-only response data, called the Natural Excitation Technique (NExT), will be reviewed, showing historical tests and techniques. The initial attempts at output-only modal testing began in the late 1980s with the development of NExT in the 1990s. NExT was a predecessor to Operational Modal Analysis (OMA), developed to overcome these challenges of testing immense structures excited with natural environmental inputs. We will trace the difficulties and successes of wind turbine modal testing from 1982 to the present.     

风力发电机组叶片气热法防除冰系统设计

针对风电场风电机组防除冰技术现场可改造实现需求,探讨了2 WM机组叶片气热法防除冰技术工程应用的系统设计,重点围绕单支叶片加热系统设计、供电电源选择以及结冰监测与控制系统架构展开,再结合工程实现对叶片气热法防除冰系统现场改造的几个重点问题进一步枚举和论述,为推进风电机组叶片气热法防除冰系统现场工程改造提供借鉴。     

垂直轴风力发电机的设计

对垂直轴风力发电机进行了基本的参数计算,运用了产品造型设计中的仿生形态学理论,设计出的风力机叶片外形跟蝴蝶翅膀的轮廓相似,叶片的数量为三个,三叶片互成120°并且有折叠单元,不仅实用而且具有一定的观赏性.对风力发电机做了简单的人机工程学分析,主要包括风力机尺寸、颜色、材料的选取,色彩要结合考虑该风机使用地点环境的整体颜色,光线饱和度以及仿生形态原型的主要颜色,材料选用强度高、比重轻、抗蚀性好以及耐久的高质量复合材料.最后对风力机载荷进行分析跟讨论,使得垂直轴风力发电机造型美观,性能实用.     

浅析风力发电机叶片关键技术

介绍了大型风力机叶片设计中的关键技术,包括叶片的设计理论、结构形式、材料选择、翼型的选择等,分析了其研究进展,指出其研究方向。     

增压器涡轮叶片疲劳蠕变寿命预测方法

根据径流式增压器涡轮的结构与工作特点,分析了涡轮叶片的载荷与应力空间分布特征;针对增压器涡轮由疲劳与蠕变交互作用引起的叶根断裂失效模式,研究了增压器涡轮叶片叶根的载荷与应力变化历程,建立了涡轮叶片叶根的载荷与应力描述方法;然后建立了增压器涡轮叶片叶根疲劳蠕变寿命预测方法及模型,并运用建立的模型对增压器涡轮叶片叶根进行了寿命评估。