基于气弹耦合特征的风力机叶片优化设计

为提高风力机叶片气动结构性能,基于风力机风轮空气动力学及叶片结构动力学原理,选取叶片所处位置及扭转变形为自由度,在研究叶片摆振、摆振方向各阶振动模态的基础上,提出风力机叶片气动弹性耦合振动变形计算模型。基于风力机整机部件构成及输出功率特征,提出风力机叶片优化设计模型,对某5 MW风力机叶片的进行形状优化设计,通过对比分析优化叶片和原始叶片的输出功率及气弹载荷特性,验证优化叶片气动及结构性能的优越性。     

风力机叶片气动特性数值模拟

在保证定雷诺数和定风速的情况下,通过FLUENT软件分别模拟了不同攻角下二维翼型NACA4412的绕流流场,得到了翼型的表面压力分布、速度分布以及升、阻力系数,从而确定了最佳攻角。     

后掠风力机叶片非定常气弹耦合模型与响应分析

后掠叶片外展段后掠,弹性轴与扭转轴分离,致使叶片非线性变形显著,气流沿叶片展向流动和气弹耦合特性增强。为精确分析后掠叶片的结构与气动之间的耦合关系,采用螺旋尾涡升力线模型结合修正的B-L动态失速模型,并计及积叠线瞬时变形对诱导速度的影响,计算非定常气动载荷;叶片结构部分通过超级单元将后掠叶片离散成多体系统,借鉴成熟的多体递归建模技术,实现转动叶片的高效组装与数值求解。通过模拟NREL 5 MW直叶片的稳态响应,验证计算模型的有效性与精度;然后分析5 MW后掠叶片,在变桨距和不变桨距情况下的非定常气动响应。数值仿真结果表明,该模型能有效地模拟后掠叶片非线性变形和非定常气动特性,能为新型降载增效后掠叶片的气动性能、疲劳载荷谱分析与结构优化设计提供有效数值分析方法。     

气弹耦合作用下旋转对海上风力机叶片振动特性的影响

针对大型风力机叶片,采用UG软件完成了叶片的实体建模,利用ANSYS开展了气弹耦合作用下旋转叶片振动特性的模拟和分析。结果表明:旋转不但显著增加了叶片位移和应力响应峰值,而且加剧了响应曲线的波动,旋转效应的贡献先减小后增大且随来流风速的增加呈现相同的变化;随着转速或来流风速的增加,叶片最大位移及其增幅沿翼展方向均呈非线性增长趋势,叶片根部和中部应力峰值的增幅均较为明显。结果可为风力机叶片优化设计提供技术参考。     

大型风力机柔性叶片非线性气弹模态分析

针对风力机尺寸增大,叶片刚柔耦合和气弹耦合特性增强,研究大型风力机转动柔性叶片弯曲与扭转耦合变形下的气弹模态及其稳定性。为准确描述柔性叶片的非线性变形特性,采用"超级单元"将柔性叶片离散成若干个刚体,并由运动副与力元连接构成多体系统,而后通过牛顿-欧拉方程建立叶片非线性动力学方程;气动模型则采用叶素动量理论结合修正的B-L (Beddoes-Leishman, B-L)动态失速模型,计算非定常气动载荷;然后基于变分原理,线性化叶片结构与气动载荷动力学方程,构建转动叶片的气弹线性化状态方程。最后以NREL 5 MW叶片为研究对象,在确定尖速比下,分析大型柔性叶片转动条件下的气弹复模态,计算叶片气弹频率与气弹阻尼比,分析叶片气动阻尼对颤振的影响,探究大型叶片颤振失稳机理。     

基于弯扭耦合的大型风力机复合材料叶片结构特性研究

为研究不同类型弯扭耦合叶片结构特性,以NREL 5 MW风力机叶片为研究对象,结合复合材料铺层设计建立不同弯扭耦合叶片有限元模型,通过CFD方法求解叶片气动载荷并对各叶片开展结构模态、强度及屈曲计算,分析不同耦合区域及耦合角度对叶片结构特性影响.结果 表明:弯扭耦合叶片各阶固有频率大多低于传统叶片,其中蒙皮耦合叶片变化最小而全耦合叶片影响最大;弯扭耦合叶片可降低内部von Mises应力及应变峰值,提高叶片疲劳寿命,其中蒙皮耦合叶片降幅最大而主梁耦合叶片降幅最小,尤以蒙皮耦合叶片θ=20°减载效果最佳;弯扭耦合叶片切应力大多高于传统叶片,仅蒙皮耦合叶片θ=20°最大切应力低于传统叶片;叶片的弯扭耦合特性对其稳定性产生一定影响,其中主梁耦合叶片临界屈曲载荷降幅较大而其他弯扭耦合叶片有小幅上升,且一阶屈曲变形量均低于传统叶片.     

动态气动载荷和构件振动对风力机气弹特性的影响分析

通过建立气弹耦合分析模型,研究叶片、塔架等构件的耦合振动对叶根气弹载荷的影响以及在静、动态气动模型下的叶根和塔底气弹载荷的差异。采用"超级单元"模型,将叶片、塔架和主轴离散为通过转动铰和弹簧、阻尼器连接的刚体系统,以反映这类构件较大的弹性变形和非线性振动。在叶素动量理论(Blade element momentum,BEM)基础上,引入Beddoes-Lesihman动态失速模型,以反映气动载荷的动态特性。应用计算多体动力学理论和风力机气动模型,建立受约束的风力机系统气弹耦合方程。算例以某5 MW风力机为研究对象,通过施加不同的约束条件,研究风轮以外其他构件振动对叶根气弹载荷的影响;通过静、动态气动分析模型,考察叶根和塔底气弹载荷的动态耦合效应。分析表明,塔架、主轴等构件的运动会显著影响叶根的气弹载荷;叶片的动态失速特性也对叶根的气弹载荷和疲劳载荷谱有较明显的影响。研究工作对于保证风力机安全稳定运行和疲劳寿命设计有重要的作用。     

风力机复合材料叶片的动力失速气弹稳定性研究

研究复合材料风力机转子叶片的非线性气弹稳定性问题.叶片结构采用匀速旋转的、具有周向反对称刚度(CAS)构型的弯-扭耦合复合材料薄壁梁模型;气动力采用大攻角动力失速非线性ONERA模型.基于Galerkin法建立广义坐标表示的叶片二阶非线性气弹常微分方程组,利用片条理论简化对非线性广义气动力的求解.基于摄动技术在非线性静平衡点附近对非线性气弹系统进行线性化,采用特征值方法以及时域积分法估计叶片的非线性颤振边界和气弹响应的稳定性问题.通过数值分析,揭示叶片转速、叶片纤维铺层角对非线性颤振边界的影响.     

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。     

风力机叶片气动设计与结构研究

采用Wilson模型优化设计水平轴风力机叶片的气动外形;利用有限元软件对玻璃钢叶片在风力、重力和离心力的耦合作用下的静力学、稳定性和动力学进行仿真分析.通过对叶片额定风况下的静力学和稳定性分析,不仅能获取叶片的应力和应变分布,而且可检验叶片设计的安全性和合理性.通过叶片动力学分析,计算叶片的振动频率,判断能否避免共振,实现正常运行.     

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。     

风力机叶片的弯扭耦合振动分析

根据一般粘性阻尼叶片的弯扭耦合振动模型,利用有限差分方法对叶片的动力方程进行离散处理,得到了叶片的质量、阻尼和刚度矩阵。然后运用MATLAB振动工具箱对系统的弯扭耦合振动进行了仿真分析,求出四种不同类型叶片的六阶固有频率和振型,并与相关文献进行了比较分析。在建立叶片系统的线性定常状态空间方程的基础上,对叶片施加初始位移扰动,通过运用时间离散和MATLAB振动工具箱,得到叶片在弯扭方向的收敛、颤振和发散振动仿真曲线。论文的研究对风力机叶片的设计生产有一定的借鉴意义。     

具有组合式叶片的导流型垂直轴风力机气动性能的数值研究

在分析传统垂直轴风力机低效率原因的基础上阐述导流型垂直轴风力机的结构优势,并提出一种带组合式叶片的导流型垂直轴风力机,同时数值研究该垂直轴风力机的气动特性.这种垂直轴风力机由导风轮与风轮构成,其中导流叶片分别由进口径向段、出口导流段,以及与两者相切的中间圆弧段等三段组合而成,风叶是由进口圆弧段及与之相切的出口直线段组合而成.导流叶片不仅可以有效地降低因来流对风叶吸力面的直接冲击而造成的阻力转矩,而且还有助于增强来流对风叶压力面的有效冲击.这两方面均有助于使该种风力机风轮的旋转转矩得到显著增加.研究结果表明:这种带有组合式叶片导流型垂直轴风力机,具有工作范围宽、最佳尖速比大、风能利用率高等特点,其气动性能在数值上已明显超过常规垂直轴风力机的一般水平.在此基础上,将机翼型叶片引入导流型垂直轴风力机中,并数值论证了即使在这种变攻角、剧烈分离的垂直轴风力机的内部流场中,机翼型叶片对整个风力机性能的提高也能起到一定的作用.这种带有组合式叶片的导流型垂直轴风力机不仅具有较好的气动性能,而且具有简单的二维外形结构便于加工,具有推广使用的潜力.     

气动载荷作用对大型风力机叶片-塔架净空影响分析

针对DU翼型水平轴风力机,为了探究气动载荷作用对风力机叶片-塔架净空的影响,利用GH Bladed对5 MW风力机进行仿真计算,通过探究风速、桨距角、功率对风力机叶片-塔架净空的影响,分析了叶片-塔架最小净空工况下叶片的结构动态响应,证明了风力机运行的安全性.结果表明,通过理论计算与仿真计算对比发现,最小净空值误差小于...     

基于改进BEM理论的水平轴风力机气动性能预测

在叶素动量理论(BEM理论)的基础上,综合考虑了风力机叶片叶尖和轮毂损失、叶栅效应、轴向速度诱导因子修正以及失速延迟修正,建立了风力机气动性能计算模型,使其准确性进一步得到提升。文中以10 kW定桨距失速型风力机叶片为例,采用上述改进的BEM理论计算模型,利用MATLAB编程,计算了其气动性能,并与国际认证的风力机计算软件GH-Bladed的计算结果进行了对比,其一致性说明了文中模型具有良好的准确性和实用性。     

大型风力机叶片腹板偏置对弯扭耦合特性研究

为研究大型风力机叶片内部腹板结构偏转对叶片弯扭耦合特性的影响,基于NX二次开发建立NREL 5 MW叶片CAD模型,通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法求解叶片表面的分布载荷,采用节点位移法求解叶片弯曲角及扭转角,分析腹板偏置对叶片弯扭耦合效应的影响。结果表明,偏置腹板可使叶片产生自适应特性;在气动载荷作用下,弯曲角与扭转角均沿叶展逐渐增大,于叶尖达到幅值;正向偏置时,叶片扭转角与偏转幅度呈负相关,反向偏置与之相反;正偏置结构耦合叶片弯扭耦合系数随偏转角增大呈递减趋势,反偏置叶片均大于传统叶片。     

基于流固耦合的风力机叶片裂纹扩展机理研究

针对风力机工作环境的恶劣性以及风力机叶片裂纹扩展的复杂性,本文利用计算流体力学(CFD)和断裂力学仿真分析,以风力载荷作为裂纹扩展的主要载荷,利用流固耦合界面的数据传递对风力机叶片裂纹扩展机理进行仿真分析。在叶根表面嵌制一不同初始尺寸的半椭圆型三维裂纹,并在不同风速的条件下计算三维裂纹应力强度因子,分析不同初始尺寸裂纹在不同风速下的动态裂纹扩展机理。结果表明,裂纹的初始尺寸与风力载荷的大小均对叶片的裂纹扩展速率与方向产生影响,且在高风速下裂纹发生失稳扩展的几率增大。     

对风机FRP叶片设计方法的分析

兆瓦级风机玻璃钢叶片设计的主要内容为气动性能、结构、强度、屈曲和动态特性.在已有研究的基础上对这些问题进行了深入的分析,形成了一套叶片设计的方法,为叶片气动和气弹性能的综合优化提供了参考依据.     

基于BEM-GDW综合理论对风力机叶片优化

基于一种新的风力机气动性能理论——BEM-GDW综合理论,考虑实际年风速分布概率,以年发电量最大为目标,结合遗传算法搜索寻优,建立叶片优化设计程序。运用此程序,对某2MW水平轴风力机叶片进行优化设计。优化后的风力机叶片的扭角、弦长及相对厚度的分布均保持光滑并连续性过渡,便于生产和加工。同时叶片捕风能力与年发电量较之原叶片都大大提高,具有一定的理论和工程实用价值