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风力机叶片约束阻尼结构建模及抑颤研究

太阳能学报 2018年第4期39卷 1165-1172页

作者：孙大刚赵树萍孟杰宋勇李占龙太原科技大学机械工程学院

针对大型风力机叶片的颤振问题,提出将约束阻尼结构应用于叶片以增大其结构阻尼。基于能量法建立局部约束阻尼叶片的动力学模型,推导出结构损耗因子的表达式;根据模态应变能分布情况确定约束阻尼层的敷设位置,并参数化分析阻尼层与约束... 详细信息

针对大型风力机叶片的颤振问题,提出将约束阻尼结构应用于叶片以增大其结构阻尼。基于能量法建立局部约束阻尼叶片的动力学模型,推导出结构损耗因子的表达式;根据模态应变能分布情况确定约束阻尼层的敷设位置,并参数化分析阻尼层与约束层厚度对模态损耗因子的影响,采用混合单元法建立某型1.5 MW风力机阻尼叶片三维有限元模型;通过Newmark直接积分法对普通叶片及阻尼叶片在额定风速和极限风速下的动力响应进行仿真对比。结果显示,与普通叶片相比,约束阻尼结构叶片在两种风速下叶尖挥舞和摆振方向的位移、加速度标准差均减小50%以上,可显著提高叶片的抑颤能力。

关键词：风力机叶片阻尼约束结构抑颤

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基于共固化阻尼层结构的风力机叶片抑颤分析

振动与冲击 2013年第19期32卷 93-99,105页

作者：孙大刚李占龙韩斌慧章新王军太原科技大学机械工程学院太原030024 中国煤炭科工集团太原研究院

针对大型风力机叶片颤振的现状,提出阻尼叶片的概念,并基于能量法推导出阻尼叶片的结构损耗因子。以某2 500 kW风力机为工程应用实例,基于ONERA非线性气动模型对普通叶片和阻尼叶片分别在启动风速、额定风速、安全风速和极限风速下进行... 详细信息

针对大型风力机叶片颤振的现状,提出阻尼叶片的概念,并基于能量法推导出阻尼叶片的结构损耗因子。以某2 500 kW风力机为工程应用实例,基于ONERA非线性气动模型对普通叶片和阻尼叶片分别在启动风速、额定风速、安全风速和极限风速下进行数值仿真对比。结果显示,4种风速下阻尼叶片的结构损耗因子分别为0.617、0.579、0.523和0.439,阻尼叶片较普通叶片抑颤效果明显提高。研究结果可为大型风力机叶片抑颤设计提供参考。

关键词：风力机共固化阻尼叶片抑颤

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大型风力机叶片阻尼层厚度分析与抑颤研究

兰州理工大学学报 2021年第4期47卷 45-51页

作者：杨瑞杨伟陈志龙兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃兰州730050

为增强大型风力机叶片抑颤效果,从增加叶片的结构阻尼角度出发,以8 MW风力机叶片为研究对象,通过铺层设计和阻尼层位置设计为建立阻尼叶片有限元模型提供基础.分别以SHELL181单元和SOLID185单元模拟叶片上下蒙皮和阻尼层,对无阻尼叶片... 详细信息

为增强大型风力机叶片抑颤效果,从增加叶片的结构阻尼角度出发,以8 MW风力机叶片为研究对象,通过铺层设计和阻尼层位置设计为建立阻尼叶片有限元模型提供基础.分别以SHELL181单元和SOLID185单元模拟叶片上下蒙皮和阻尼层,对无阻尼叶片和阻尼叶片两种模型进行模态分析,探究阻尼层厚度变化对原叶片整体质量、固有频率及结构损耗因子的影响.确定8 MW风力机阻尼叶片阻尼层最佳敷设厚度,最后在最佳阻尼层厚度基础上对比分析两种叶片抑颤效果.结合结构损耗因子发现阻尼层厚度并非越大越好,经敷设最佳阻尼层厚度,原叶片可在质量增加极少的情况下提高抑颤能力.

关键词：风力机叶片阻尼约束结构结构损耗因子抑颤

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大型风力机阻尼叶片抑颤特性研究

大型风力机阻尼叶片抑颤特性研究

作者：李占龙太原科技大学

学位级别：硕士

风力发电是一种可再生、绿色能源，已成为当今世界新能源发展潮流。我国在2009年的风电新增装机容量排名全球第一，已经成为全球风电行业的领头羊。在国家《可再生能源发展“十二五”规划》中确定，到2015年，我国风力发电并网运行量累... 详细信息

风力发电是一种可再生、绿色能源，已成为当今世界新能源发展潮流。我国在2009年的风电新增装机容量排名全球第一，已经成为全球风电行业的领头羊。在国家《可再生能源发展“十二五”规划》中确定，到2015年，我国风力发电并网运行量累计要达到1亿千瓦的目标。风力机的大型化和风电场的规模化加快了风电产业化进程并提高了其经济性。随着风力机机型的增大，其单位千瓦时发电成本随之降低，且风电机组运行稳定性也得到提高。然而，随着机型的增大，风力机叶片展向长度也随之加大。在惯性力、离心力和气动力耦合作用下，叶片会出现颤振、扭曲现象，严重时会产生裂纹、甚至发生断裂破坏。因此，大型风力机柔性叶片颤振抑制就成为大型风力机研发亟待解决的新问题。阻尼材料可将机械振动能转化为其他形式能量（内摩擦能）而耗散，主要用在振动和噪声控制领域。本研究针对大型风力机柔性叶片的颤振问题，从能量转换的角度出发，提出阻尼叶片概念，即在叶片中采用组合阻尼抑颤结构，可把作用在叶片上的颤振能转换成阻尼材料（多为粘弹性高分子材料）内摩擦能并以热能形式散逸，对叶片颤振进行有效抑制。本文首先综述了风力机叶片抑颤技术的发展和研究现状，介绍了风力机机组和叶片的构造;从气动弹性力学出发，分析了叶片扭转发散和颤振的发生机理，研究了叶片的气动稳定性;针对叶片颤振问题，基于阻尼叶片概念，提出了自由阻尼层结构叶片和共固化阻尼层结构叶片两种形式的阻尼叶片，根据非线性气动理论建了立两种阻尼叶片的抑颤模型，并对其阻尼结构参数特性进行分析;最后以某型风力机为工程应用实例对所建阻尼叶片模型进行了数值计算。结果显示，阻尼叶片可有效抑制叶片颤振，显著提高了叶片的自身抑颤能力，进而提高了风轮的稳定性和可靠性。

关键词：风力机叶片气弹稳定阻尼抑颤

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风力机叶片层合阻尼结构建模及抑颤研究

风力机叶片层合阻尼结构建模及抑颤研究

作者：赵树萍太原科技大学

学位级别：硕士

在全球环境危机和能源危机日益严重的背景下,风能作为一种清洁的可再生能源,已成为当今世界新能源的发展潮流。为提高风力发电机(简称“风力机”)的风能捕捉效率,降低单位发电成本,风力机正朝着大型化的方向发展。然而,随着现代风力机... 详细信息

在全球环境危机和能源危机日益严重的背景下,风能作为一种清洁的可再生能源,已成为当今世界新能源的发展潮流。为提高风力发电机(简称“风力机”)的风能捕捉效率,降低单位发电成本,风力机正朝着大型化的方向发展。然而,随着现代风力机的大型化,其叶片也越来越“柔细”化。在风场气动力、弹性及惯性力相互作用下,叶片各模态之间易发生振动耦合,产生气弹不稳定的颤振现象。叶片的颤振会对风力机的运转产生不利影响,其引发的交变应力可致使叶片开裂,严重时发生断裂损坏。针对上述问题,本研究在风力机叶片中采用层合阻尼结构,使叶片的颤振能通过粘弹性高分子材料的内摩擦转变成热能逸散于周围环境中,从而有效地降低叶片的颤振强度。本文首先从结构动力学出发分析了风力机叶片经典颤振的机理,在此基础上将层合阻尼结构(约束阻尼结构和共固化阻尼结构)应用于叶片,基于能量法建立了层合阻尼叶片的动力学模型,根据模态应变能法推导出阻尼叶片结构损耗因子的表达式,并采用混合单元法在ANSYS中建立了某型1.5 MW层合阻尼叶片的三维有限元模型;然后通过Newmark直接积分法分析对比了普通叶片与层合阻尼叶片在额定风速与极限风速下的动力响应;最后探讨了阻尼层厚度、模量与复合材料的偏轴纤维角对共固化阻尼叶片结构损耗因子的影响。结果表明,相同的环境下,与普通叶片相比,层合阻尼叶片的抑颤能力显著提高,且阻尼叶片内部载荷大幅降低,极大地改善了叶片的疲劳性能,提高了叶片在极限载荷下的气弹稳定性;为增大层合阻尼叶片的结构损耗因子,除了选择适当的阻尼层材料和厚度,还可以采用60°的偏轴纤维角。

关键词：风力机叶片层合阻尼结构建模抑颤

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大型风力机智能叶片抑颤研究

大型风力机智能叶片抑颤研究

作者：吴卓琦兰州理工大学

学位级别：硕士

叶片是风力机关键部件之一,现今风力机发展趋向于建造大型风力发电机组,因大型机组的风轮扫略面积大,能为风力机捕获得更多风能。逐渐增大的风轮使得叶片越加细长,在风轮旋转运动时,承受复杂空气载荷的叶片将伴随着大量气动弹性问题。... 详细信息

叶片是风力机关键部件之一,现今风力机发展趋向于建造大型风力发电机组,因大型机组的风轮扫略面积大,能为风力机捕获得更多风能。逐渐增大的风轮使得叶片越加细长,在风轮旋转运动时,承受复杂空气载荷的叶片将伴随着大量气动弹性问题。风载荷与叶片形变耦合产生不稳定自激振动,这种耦合作用逐渐加强而引起的气动弹性不稳定问题称之为颤振。以8MW风力机叶片为研究对象,通过对叶片进行气弹稳定性分析,得出大型风力机叶片可以通过增加叶片刚度和阻尼达到抑制颤振的效果。以在叶片玻璃纤维复合材料铺层下埋入压电纤维的方法设计大型智能叶片。对智能叶片的压电纤维层施加电载荷,压电材料产生逆压电效应使得叶片刚度和阻尼在一定范围内可控。最后,通过建立智能叶片结构模型并对模型进行模拟计算,对比分析计算结果,验证智能叶片抑颤可行性具体内容如下:本文对8MW风力机气动外形进行设计,利用Solidworks软件建立叶片及风场流域模型。通过ANSYS软件Fluent模块进行流场运算,求得的多个风速作用下的叶片表面压力,将其作为静态和瞬态结构分析的预载荷。根据设计的叶片气动外形建立结构模型,运用Solidworks软件构建包括叶片腹板、梁帽及前、后缘等结构部分的叶片模型。将模型导入ANSYS软件的Mechanical APDL模块中,对结构模型进行单元定义、材料选用及铺层设计,最后建立叶片有限元结构模型。根据有限元模型模态分析得到叶片前八阶模态及其固有振型,将叶片的受激特性及振动特性作为压电动作层的电载荷施加方案依据。对叶片结构模型导入预载荷后进行静态结构计算,对比电载荷施加前、后各个自由度的位移及叶片应力分布状况,分析叶片刚度、应力变化。对叶片施加阵风载荷以及周期性电载荷进行动态结构计算,对比叶片各个自由度的位移值、扭转角度峰值及振动衰减状况,分析逆压电效应对叶片阻尼的影响。文章创新点包括:设计了压电铺层的8MW大型风力机智能叶片;结构分析施加预载荷由数值模拟流场计算得出;结构模型采用压电耦合的方法进行稳态分析和瞬态分析。经研究表明,在大型风力机叶片的复合材料铺层下埋入压电纤维层的方法设计的智能叶片,可以通过对压电层施加电载荷的手段控制叶片自身的刚度和阻尼,达到了有效抑制叶片颤振的效果。

关键词：风力机叶片结构设计压电材料数值模拟抑颤

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大型风力机阻尼叶片抑颤研究

大型风力机阻尼叶片抑颤研究

作者：杨伟兰州理工大学

学位级别：硕士

近年来,风力机大型化趋势愈加明显,叶片因此也设计的更加细长,风轮在旋转运行时,叶片扫掠面积增大,所承受的复杂气动载荷也随之增多,在气弹作用和惯性力相互作用下,叶片各模态之间会出现自激振动耦合,这种耦合作用相互加强便会产生气弹... 详细信息

近年来,风力机大型化趋势愈加明显,叶片因此也设计的更加细长,风轮在旋转运行时,叶片扫掠面积增大,所承受的复杂气动载荷也随之增多,在气弹作用和惯性力相互作用下,叶片各模态之间会出现自激振动耦合,这种耦合作用相互加强便会产生气弹不稳定现象,即为颤振现象。叶片颤振会对整个风力机的运行造成诸多不利影响,颤振引发的交变应力极易使叶片疲劳开裂,甚至断裂破坏,颤振问题已经严重制约了大型风力机的发展。针对叶片颤振问题,本文从提高叶片抑颤能力的角度出发,以8MW大型风力机叶片为研究对象,通过铺层设计、阻尼层敷设位置设计建立无阻尼叶片和阻尼叶片两种有限元模型,对两种模型进行模态分析,在综合考虑固有频率、结构损耗因子、叶片质量等结构参数的基础上确定了阻尼叶片最佳阻尼层敷设厚度,再利用静力学分析和瞬态分析对比研究两种叶片抑颤效果,从而得出阻尼叶片抑颤情况;最后将叶片等效为悬臂梁,搭建约束阻尼结构悬臂梁动力学实验平台,探究阻尼材料对柔性梁结构的减振作用。具体工作如下:1.结合叶片受力特性和承载情况分析叶片颤振机理,建立二维翼型简化振动模型,从数学角度分析叶片颤振情况。2.根据叶片基础理论和实际运行承载情况设计出8MW大型风力机风轮模型,采用ANSYS fluent软件进行流场模拟计算,得出叶片表面压力作为预载荷。3.将铺层层数、铺层厚度、铺层区域设计参数作为基础铺层参数,提出全交替对称铺设和局部交替对称铺设两种铺层方案,根据固有频率、最大相对位移、最大等效应力、模态振型等模态计算参数对比选定全交替对称铺设方案作为本文有限元模型铺层方案,并建立8MW风力机无阻尼叶片有限元模型。4.根据材料特性选择ZN-33橡胶作为本文阻尼材料,结合模态振型和能量耗散率确定阻尼层敷设位置为叶展70%100%之间,分别以SHELL181单元和SOLID185单元模拟叶片上下蒙皮和阻尼层建立8MW风力机阻尼叶片有限元模型,分析阻尼层厚度在0.1 2.0mm时叶片固有频率、结构损耗因子、最大相对位移、叶片质量等参数变化情况,结合各参数确定阻尼叶片最佳阻尼层敷设厚度为1.5mm。5.根据最佳阻尼层厚度建立阻尼叶片模型,对无阻尼叶片和阻尼叶片两种有限元模型的抑颤效果进行参数化对比分析。通过模态分析发现一阶模态阻尼叶片结构损耗因子是无阻尼叶片的26.99倍,最大相对位移下降了1.42%;根据施加的压力预载荷进行静力学分析发现阻尼叶片在叶展不同位置总位移波动幅值均低于无阻尼叶片,靠近叶根处降幅较小,叶尖降幅最大,经过对比xyz各方向位移,发现y向挥舞位移降幅最大,x向摆振位移次之,z向位移降幅最小;通过施加随机风载进行动力学分析发现,阻尼叶片叶尖挥舞方向和摆振方向位移、速度幅值相比无阻尼叶片均有明显降低,且对挥舞方向抑颤效果略高于摆振方向。6.利用手工铺层制作层合板和约束阻尼结构层合板,将其作为悬臂梁模型,搭建悬臂梁动力学实验平台进行减振研究,将层合板几何模型频率计算结果作为层合板激振触发频率,通过对比不同频率激励下不同厚度约束阻尼板的位移变化情况,发现一阶频率以低频大振幅为主,二阶、三阶频率以高频小振幅为主,相比原层合板,约束阻尼层合板最大值和最小值均有下降,这在一定程度上验证了阻尼叶片抑颤效果的准确性,同时也发现,随着阻尼层厚度增大,减振能力有所提高。本文通过分析大型风力机叶片颤振机理,利用阻尼材料优良的耗散作用建立了阻尼叶片抑颤模型,在综合考虑叶片质量、抑颤性能、结构刚度的前提下确定了最佳阻尼层厚度,分析了阻尼叶片抑颤效果,并通过悬臂梁动力学实验探究了阻尼材料减振性能,发现阻尼叶片抑颤效果明显,阻尼材料对柔性梁结构具有较好的减振作用。

关键词：风力机叶片约束阻尼结构有限元分析实验研究抑颤

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风力机多层阻尼叶片抑颤性能分析

风力机多层阻尼叶片抑颤性能分析

作者：张洪宁太原科技大学

学位级别：硕士

风能作为绿色洁净的新能源,愈加受到全球各个国家的青睐和看重。我国风力机装机容量逐年增加,且1.5MW和2MW成为主流,所占份额越来越大。而这两种机型的叶片长度都达到30m以上。风力发电愈加追求单位发电成本,导致叶片向着细长化发展。... 详细信息

风能作为绿色洁净的新能源,愈加受到全球各个国家的青睐和看重。我国风力机装机容量逐年增加,且1.5MW和2MW成为主流,所占份额越来越大。而这两种机型的叶片长度都达到30m以上。风力发电愈加追求单位发电成本,导致叶片向着细长化发展。叶片在惯性力、重力和气动载荷共同作用下,很容易发生严重变形和颤振,进而产生疲劳裂纹破坏。因此,控制大型风力机叶片颤振已成为现代风力机设计的重要部分。阻尼减振减噪技术是抑颤的有效方法之一。该技术是利用阻尼材料受交变应力作用时,分子链之间发生滑移且不可恢复,这种滑移将振动体的机械能转变为热能或者其它可以耗散的能量,从而起到减振及降噪的目的。本文将多层阻尼结构应用在叶片中,来抑制叶片振动。本文首先对叶片抑颤和阻尼结构研究背景进行了综述;简要说明了风力机机组组成和叶片主要参数,以某国产1.5MW叶片为例,建立三维模型并进行了模态分析;依据空气动力学推导出叶片升、阻力和叶片运动微分方程,分析了叶片发生颤振的条件;对阻尼附加结构和其耗能原理进行了阐述,并推导了多层弱约束阻尼结构和多层约束阻尼结构的损耗因子;对自由阻尼叶片和多层弱约束阻尼叶片、单层约束阻尼叶片和多层约束阻尼叶片两组叶片进行了模态分析对比和动力学分析对比,结果显示,多层阻尼叶片比单层阻尼叶片具有更好的抑颤性能。

关键词：风力机叶片抑颤阻尼

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大型风力机叶片压电陶瓷布置方案及抑颤研究

大型风力机叶片压电陶瓷布置方案及抑颤研究

作者：孙霞阳兰州理工大学

学位级别：硕士

风力发电机组的大型化使得叶片气弹问题成为造成叶片疲劳破坏、使用周期缩短的主要原因,而近年来压电材料在主动控制领域的应用有效的解决了这一问题。为了研究压电陶瓷对叶片动态稳定性的影响,本文在现有颤振控制研究的基础上以8MW风... 详细信息

风力发电机组的大型化使得叶片气弹问题成为造成叶片疲劳破坏、使用周期缩短的主要原因,而近年来压电材料在主动控制领域的应用有效的解决了这一问题。为了研究压电陶瓷对叶片动态稳定性的影响,本文在现有颤振控制研究的基础上以8MW风力机为研究对象,在铺层中加入压电陶瓷片,研究其铺设位置对叶片颤振的抑制效果,并通过搭建悬臂梁动力学实验平台探讨压电材料对变厚度柔性结构的适用性,具体内容如下:1、基于BEM理论对8MW风力机叶片进行了气动设计,并利用数值模拟方法验证了所设计叶片的正确性及额定工况下叶片的气动性能。结果表明:叶片轴向力从叶根至叶尖呈先增后减趋势,至72m附近达到最大值,而切向力整体并无明显变化;xz平面内的速度扩散随至轮毂中心距离的增加而逐渐加深,2D时几乎扩散至整个静止域;叶片上下表面压差随半径的增大而增大。2、就压电陶瓷片铺设位置设计了五种方案下的风力机叶片,对比研究了压电材料对叶片结构性能的影响。结果表明:铺设压电材料可增大叶片固有频率;在静载荷作用下,五种方案的叶片均能在不同程度上增大叶片刚度、减小叶尖最大位移,效果最佳的是沿叶片展向全部铺设的方案;在瞬态载荷作用下,五种方案的叶片能有效减小叶尖振幅及到达稳态所需的时间,其中于叶片40%处铺设压电材料对颤振的抑制效果最佳。3、将压电陶瓷片引入等、变厚度悬臂梁的实验研究,对比分析了压电陶瓷对等变厚度悬臂梁特性的影响。结果表明:静态载荷下,添加压电陶瓷片后的等、变厚度悬臂梁自由端位移和应变值均有明显减小;动态载荷下,随着激振频率的增加,悬臂梁振动逐渐从低频大振幅运动转变为高频小振幅运动,且在压电陶瓷片所能承受的电压范围内,电压越大对振幅的减小程度越高。本文针对压电材料应用于风力机叶片的主动控制进行了研究,得到了压电陶瓷的合理铺设方案及对于叶片的抑颤效果,为大型风力机叶片颤振的主动控制及安全运行提供了参考依据。

关键词：风力机叶片压电陶瓷铺设方案抑颤实验研究