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风力机预弯叶片结构与静气弹性参数化有限元分析方法研究

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可再生能源 2016年第4期34卷 530-536页

作者：郭小锋张伟杰胡文生孙千涛中原工学院机电学院河南郑州450007

构建了风力机预弯叶片气动外形和铺层结构的参数化表达模型,采用MATLAB与ANSYS APDL相结合的方法对复合材料预弯叶片进行参数化有限元建模、加载和结构分析,并以某1.5 MW预弯叶片为例验证了该方法的正确性;基于修正的叶素动量理论和气... 详细信息

构建了风力机预弯叶片气动外形和铺层结构的参数化表达模型,采用MATLAB与ANSYS APDL相结合的方法对复合材料预弯叶片进行参数化有限元建模、加载和结构分析,并以某1.5 MW预弯叶片为例验证了该方法的正确性;基于修正的叶素动量理论和气动载荷参数化分布加载方法,对风力机预弯叶片的静气弹性进行分析和研究,结果表明预弯叶片的展向变形有助于叶片气动功率的提高,而叶片扭转变形造成风力机实际气动功率的降低,根据叶片的计算扭转变形,在叶片的设计中增大叶片的预扭转角度可避免叶片因弹性扭转变形造成的设计功率偏离。研制了风力机叶片结构性能和静气弹性分析工具(WTBSA),为预弯叶片的多学科优化设计奠定了基础。

关键词：风力机预弯叶片结构分析静气弹性分析

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基于参数化的风力机预弯叶片气弹稳定性分析

基于参数化的风力机预弯叶片气弹稳定性分析

作者：黄鑫祥中原工学院

学位级别：硕士

陆上优质风场资源随着风电商业化的快速发展逐渐趋于饱和,拥有更大市场的低风速风力发电成为我国风电行业未来发展的方向。为了实现低风速地区的风力发电,风力机需装配更长的叶片以便增强风轮的捕风能力。叶片尺寸及柔性的增加使得叶尖... 详细信息

陆上优质风场资源随着风电商业化的快速发展逐渐趋于饱和,拥有更大市场的低风速风力发电成为我国风电行业未来发展的方向。为了实现低风速地区的风力发电,风力机需装配更长的叶片以便增强风轮的捕风能力。叶片尺寸及柔性的增加使得叶尖部位的弹性变形更加明显,从而导致叶片和塔筒相碰情况的出现,因此细长叶片需要进行一定的预弯处理。叶片在气动力、弹性力及变速变桨控制的耦合作用下呈现出复杂的动态响应,所以建立预弯叶片参数化模型并在风力机整机系统下研究预弯外形对叶片气弹稳定性的影响具有重要意义。首先,本文对某2MW风力机叶片的气动外形和铺层结构进行整理,在EXCEL表中建立参数化的叶片截面分析模型。基于经典层合板理论,调用Pre Comp软件计算叶片模型的截面属性,为后续风力机结构模型的建立提供必要的参数。然后,针对风力机整机建模的三要素,本文采用适当的方法建立了柔性叶片和塔筒模型、风力机气动模型以及控制系统。以多体动力学软件SIMPACK为平台,实现某2MW风力机整机的气弹控耦合。通过与GH-Bladed软件进行仿真结果比较,验证本文模型及分析方法的可靠性。最后,将叶片的预弯外形以幂函数形式进行参数化表达,在不改变2MW叶片弦长、扭角以及铺层结构的基础上,建立不同预弯外形的叶片进行气弹分析,研究预弯指数和预弯量对叶片气弹稳定性的影响。根据仿真结果分析可知:在额定稳态风下,叶根挥舞和扭转弯矩随着预弯指数的增大而减小,但是当预弯指数超过6时,叶片气弹变形和弯矩载荷出现大幅度波动,不利于风力机的稳定运行;稳态风下,增大预弯量可以明显增加叶片与塔筒间的距离,在湍流风下,过大的预弯量导致叶片摆振-扭转耦合效应增大,使得叶片在摆振、扭转方向的气弹响应远大于额定稳态风下的气弹响应,导致风力机的气动功率降低且波动明显。

关键词：风力机预弯叶片参数化模型预弯外形气弹稳定性

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风力机叶片预弯设计机理与方法

东北大学学报（自然科学版） 2016年第6期37卷 851-855页

作者：郭小锋陈进李松林重庆大学机械传动国家重点实验室重庆400044 中原工学院机电学院河南郑州450007

基于修正的叶素动量理论提出了一种适应于水平轴风力机叶片的静气弹性分析方法;运用该方法对不同稳态风速下的叶片变形曲线进行研究,揭示了叶片预弯设计的机理,并给出了一种预弯型线的设计方法.通过对预弯和非预弯两种叶片在相同风速下... 详细信息

基于修正的叶素动量理论提出了一种适应于水平轴风力机叶片的静气弹性分析方法;运用该方法对不同稳态风速下的叶片变形曲线进行研究,揭示了叶片预弯设计的机理,并给出了一种预弯型线的设计方法.通过对预弯和非预弯两种叶片在相同风速下的静气弹性变形和气动功率的对比和分析表明,预弯叶片的气动性能受轴向变形、扭转变形和叶片截面形状变化三个方面的影响,叶片弹性扭转变形使叶片实际气动功率偏离设计值.该研究为预弯叶片的设计提供了理论依据和方法.

关键词：风力机预弯叶片静气弹性预弯机理预弯型线设计

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预弯对10MW级风力机叶片气动特性的影响

水电能源科学 2020年第1期38卷 165-168页

作者：陈子文王晓东康顺乔玉军华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室北京102206 中材科技风电叶片股份有限公司北京100192

为分析预弯处理对10 MW级风力机叶片气动特性的影响,以DTU 10 MW风力机为例,采用CFD数值模拟方法,研究均匀来流不同风速下风力机的输出功率,并与BEM计算结果进行对比。同时,对比分析直叶片和预弯叶片风力机的功率特性、沿展向出力分布... 详细信息

为分析预弯处理对10 MW级风力机叶片气动特性的影响,以DTU 10 MW风力机为例,采用CFD数值模拟方法,研究均匀来流不同风速下风力机的输出功率,并与BEM计算结果进行对比。同时,对比分析直叶片和预弯叶片风力机的功率特性、沿展向出力分布、沿展向不同截面翼型的流动特性。研究结果表明,直叶片各截面翼型的压力差较预弯叶片的大,做功能力较强。预弯通过对叶片的三维流动产生扰动,进而影响风力机的输出功率,且主要体现在叶片展向70%~90%的位置。研究成果可为风力机叶片气动性能的设计与优化提供参考。

关键词：风力机预弯叶片气动特性数值模拟

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水平轴风力机叶片气弹建模与响应分析

空气动力学学报 2012年第2期30卷 192-197页

作者：陆洋周桂林南京航空航天大学旋翼动力学国防科技重点实验室江苏南京210016

基于Hamilton原理在惯性系下建立叶片动力学方程。针对风力机预弯叶片,引入上反坐标系描述叶片的预弯变形。叶片结构动力学模型基于中等变形梁理论,引入Hartenberg-Denavit增广转换矩阵,应用5节点18自由度梁单元模型进行叶片离散。翼型... 详细信息

基于Hamilton原理在惯性系下建立叶片动力学方程。针对风力机预弯叶片,引入上反坐标系描述叶片的预弯变形。叶片结构动力学模型基于中等变形梁理论,引入Hartenberg-Denavit增广转换矩阵,应用5节点18自由度梁单元模型进行叶片离散。翼型气动力计算采用Pierce修正的风机Leishman-Beddoes非定常气动力模型,入流模型采用Suzuki广义动态尾迹入流模型。利用Newmark数值积分方法获得叶片气弹响应的稳态周期解。分别以美国国家可再生能源实验室Phase VI非定常空气动力学实验及其公开的1.5MW风力机叶片为算例计算了有/无预弯叶片的气弹响应,验证了本文所建模型的正确性。

关键词：风力机气弹响应惯性系预弯叶片建模

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水平轴风力机风轮气弹动力学建模及分析研究

水平轴风力机风轮气弹动力学建模及分析研究

作者：周桂林南京航空航天大学

学位级别：硕士

风能源是目前最具开发利用前景一种清洁可再生能源，为了开发和利用风能源，人类发明风力机以实现将风能向电能的转换。本文即针对风力机风轮气弹动力学问题进行相关研究：建立先进的气弹动力学分析模型，进行气弹响应及稳定性分析。本... 详细信息

风能源是目前最具开发利用前景一种清洁可再生能源，为了开发和利用风能源，人类发明风力机以实现将风能向电能的转换。本文即针对风力机风轮气弹动力学问题进行相关研究：建立先进的气弹动力学分析模型，进行气弹响应及稳定性分析。本文主要研究内容包括：（1）基于直升机旋翼结构动力学模型，利用中等变形梁处理叶片的弹性变形，根据Green应变处理叶片的应变-位移关系，得到应变能的表达式;采用5节点15自由度梁单元模型对风力机风轮叶片进行有限元离散，推导由叶片弹性变形引起的弹性广义力及其切线刚度阵;引入Hartenberg-Denavit增广转换矩阵，用递推方式得到任意坐标系下叶片上质点的位置矢量，简化动能项的计算推导;引入上反坐标系方法描述风力机叶片的预弯变形，建立了可考虑预弯变形的风力机叶片结构动力学模型。（2）采用广义动态尾迹入流模型进行风力机风轮诱导速度计算，提出一种基于模糊逻辑方法的风力机叶片动态失速模型，计算翼型非定常气动力，结合Pierce修正的Leishman-Beddoes模型，建立了综合考虑叶片动态入流以及动态失速影响的水平轴风力机风轮叶片的空气动力学模型。（3）应用Hamilton原理，在惯性系下直接建立了风力机叶片动力学方程，组集应变能、动能、空气动力及重力等产生的虚功，得到基于广义力形式的叶片非线性动力学隐式微分方程，利用Newmark数值积分方法计算叶片气弹响应的稳态周期解，然后采用Floquet理论进行稳定性分析。（4）以美国可再生能源实验室非定常空气动力学实验UAE Phase VI小型水平轴风力机及其1.5MW风力机和国内某1.5MW水平轴风力机叶片进行气弹响应计算和稳定性分析，并与风机商用软件Bladed计算结果、实验结果比较，对本文所建立风轮气弹模型的正确性和有效性验证。

关键词：风力机预弯叶片气弹建模动态失速稳定性