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为解决风力机运行振动影响结构安全性及风力机发电效率的问题,设计了一阶电涡流调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)方案,并通过现场实测研究风力机振动特性及 TMD 减振效果.基于塔架一阶模态简化的单自由度模型设计了风力机塔架 TMD减振装置,并在运行风力机上进行了安装与现场实测,对比了 TMD关闭与开启状态下风力机的正常停机、异常停机、环境风振动及叶片限转频工况下塔顶的振动响应特性,分析了各工况的实际减振率,评估了 TMD对不同工况的减振效果.结果表明:塔架顶部的振动频率在其一阶模态频率附近,其速度响应轨迹呈椭圆状,塔顶两个正交方向的速度响应有一定的相关性;TMD开启后正常停机工况下等效阻尼比提升 2.5 倍以上,振动响应标准差(standard deviation,STD)减振率超过 41%;环境风振动工况下振动响应 STD减振率大于 56%;叶片限转频工况下,TMD减振效果会随着转频而变化,部分转频下没有减振效果.总体而言,TMD可明显提升运行风力机的阻尼比并抑制风力机振动,但叶片在目标控制频率的±10%左右转动时一阶 TMD会没有减振效果.
风力机塔架调谐质量阻尼器现场实测减振效果
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变桨垂直轴风力机需根据不同运行工况采用不同变桨策略,以改善气动效率与载荷特性,而目前可执行多种变桨策略的试验风力机方案匮乏,制约了叶片变桨技术的工程化.为此,提出并测试了一种叶片独立变桨垂直轴风力机方案.结构上,以集成变桨驱动、支承与监测组件的叶片独立变桨机构为核心,形成了整机结构.控制上,协同叶片方位角识别、桨距角调控及多参数采集的硬件功能,基于可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)搭建了叶片独立变桨控制系统.风洞试验表明,叶片独立变桨垂直轴风力机可灵活实现多种叶片变桨策略,通过叶片变桨显著提升了气动效率.该工作为变桨策略验证与后续机型优化提供了有效支撑与实践参考.
垂直轴风力机叶片独立变桨变桨机构可编程逻辑控制器控制风洞试验
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以湖南雪峰山能源装备安全国家野外科学观测研究站300 kW风力机为研究对象,基于旋转参考系及欧拉气-液两相流模型构建全尺寸风电叶片三维旋转覆冰模型,揭示雾凇和雨凇覆冰机制的异同,通过数值仿真对比两者在覆冰形貌、质量等方面的差异,并深入探究温度的作用效应.结果表明:1)温度对雾凇覆冰几乎无影响,但会显著影响雨凇的覆冰区域、覆冰形貌以及覆冰质量;2)雾凇形成流线冰,雨凇形成角状冰,随着温度降低,雨凇覆冰区域减小,但角状冰特征更加显著;3)雾凇的最大覆冰厚度沿叶展方向单调递增,而雨凇则呈现明显非单调特征;当温度接近0℃(如-1℃)时,出现叶中(0.60R处)覆冰厚度高于叶尖(0.90R处)的特殊情况;4)相同覆冰时间内,雾凇覆冰质量大于雨凇,且随着温度降低,雨凇覆冰质量呈增速递减的增长趋势.
风力机风电叶片两相流覆冰数值仿真温度
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为探究风电叶片的结构耦合机理,以NREL-5 MW风力机为研究对象,基于欧拉伯努利梁理论推导可考虑结构多自由度耦合的自由振动方程,分析剪切、弯扭耦合、挥摆耦合和轴弯耦合对叶片固有模态的影响.结果表明,剪切会导致挥舞和摆振方向的频率有所降低,二阶挥舞和二阶摆振分别降低约4.7％和1.0％;弯扭耦合会导致弯曲频率降低、扭转频率增高,且阶数越高变化幅度越大,三阶摆振降低3.1％,二阶扭转增加1.6％;挥摆耦合对摆振特性的影响显著高于其对挥舞特性的影响,轴弯耦合在3种耦合中影响最小.在振型方面,弯扭耦合和轴弯耦合对低阶弯曲振型的影响较小,挥摆耦合是导致弯曲振型出现明显耦合的主要原因.
风力机风电叶片结构分析固有频率梁模型弯扭耦合挥摆耦合
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为确保海上风电150 m级全尺寸叶片静载试验平台的安全性,针对其承台结构在极限荷载下的抗剪与抗冲切承载特性开展精细化研究.基于ABAQUS软件,建立单桩模型,对比摩尔-库伦本构模型与桩土弹簧模型两种数值模拟方式的计算误差,与现场试桩数据进行对比,验证桩土弹簧模型的可靠性.进而根据海上风电研究与试验检测基地的数据资料,采用ABAQUS软件建立试验台数值模型,模拟试验平台在极限状态下的抗剪能力和抗冲切能力.海上风电研究与试验检测基地的150 m级全尺寸叶片试验平台在抗剪和抗冲切方面的设计是安全可靠的,能够满足叶片静载试验测试的需求.
海上风电风机叶片抗剪承载力抗冲切承载力
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基于人工和传统自动化检测算法在风电叶片表面裂纹和剥落腐蚀缺陷检测任务中存在精度低和效率差等问题,提出了基于优化YOLOv5s的风电叶片表面缺陷检测轻量化算法.首先,构建不同自然环境条件下叶片表面缺陷数据集;其次,在YOLOv5s中引入 GhostNet的Ghost模块和Ghost BotleNeck结构;最后,针对真实框与预测框不一致的问题,引入损失函数SIoU,通过聚焦普通质量锚框的预测回归提升叶片表面缺陷识别准确率和定位精度.优化后模型的参数量、计算量和权重文件分别为YOLOv5s的52.6％、51.6％和55.2％,叶片表面缺陷识别平均精度均值为88.3％.与Faster-RCNN、SSD、YOLOv4、YOLOv5s和YOLOv8s模型相比,平均精度均值分别提高了 34.2％、36.5％、24.5％、1.9％和1.8％.结果表明,YOLOv5s优化后成功防止漏检和误检,提升了目标定位精度,更适用于检测复杂工况下叶片表面裂纹和剥落腐蚀缺陷.
风电叶片图像识别YOLOv5s目标检测轻量化算法
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为了解决城市风能利用、风力机安装位置受限的问题,建立一种建筑延展的变实度垂直轴风力机数值模型,其内部包含建筑物并通过改变风轮半径实现实度的变化,采用计算流体动力学结合Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)声学方法,分析该模型的气动性能和噪声性能.结果表明,随着叶片旋转速度的降低,叶片上产生的压力波动减小,可使声压级(SPL)降低.随着实度的增加,叶片涡流的脱落被抑制,也可使声压级降低.而随着实度的减少,风力机工作范围变得更宽,叶片之间及叶片与建筑物之间的气动干扰减少,风能利用系数(CP)的最大值增长了 21.14％.改变风力机实度和叶尖速比对功率系数和噪声水平均有显著影响,风力机运行可采用较高实度以改善噪声性能,或采用较低实度以提升气动性能.
垂直轴风力机建筑风能气动性能噪声性能风力机实度数值模拟
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采用重叠网格和 UDF 技术对亚临界雷诺数 Re=3 900 下三角形排列波浪锥柱涡激振动特性进行了数值模拟,分析不同横流向间距比 L/Dm=2～5、顺流向间距比 T/Dm=2～6、折合速度 Ur=4～15 时下游波浪锥柱单自由度涡激振动振幅、频率、升阻力系数随折合速度的变化规律.研究表明:下游波浪锥柱在上游双波浪锥柱复杂尾流作用下,其振动激励模式由上游剪切层重附着转变为尾流融合下的交替泄涡激励模式,脉动升力系数显著提升,有效拓展了锁频区间,在适当工况下较之单波浪锥柱振幅提升可高达 23.2%,且在锁定区间内升力系数出现多频现象,随着折合速度增大,多频现象逐渐减弱.为无叶片风力机群的布局方式提供了理论支持.
波浪锥柱三角形排列尾流作用涡激振动数值模拟
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以地铁轴流风机的核心做功部件叶片为研究对象,受自然界中座头鲸鳍肢前缘波浪结构可改善鳍肢流体动力学性能的启发,针对性地提出一种仿生波浪前缘设计方案并对叶片进行仿生改造.采用数值模拟研究仿生波浪前缘的结构参数(凹凸结构、振幅、波长及分布长度)对风机气动性能的影响.结果表明:在全流量下,凸起仿生波浪前缘总体优于凹凸仿生波浪前缘.在设计流量下,凸起仿生波浪前缘使风机全压提升 11 Pa,全压效率提高 3%左右,凹凸仿生波浪前缘会降低风机的全压和效率;仿生波浪前缘的最佳振幅、波长和分布长度分别为 4、8、144 mm;将最佳结构参数结合得到的风机,在设计流量下全压提高 3.12%,达到 562 Pa;全压效率提高 3.30%,达到81.55%.
地铁轴流风机仿生波浪前缘数值模拟结构参数
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基于改进型延迟分离涡模拟(IDDES)与 Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)声学类比方法,对采用主动控制的近壁圆柱翼型的垂直轴风力机(VAWT)开展气动噪声特性研究.结果表明:该近壁圆柱结构有效抑制了叶片边界层流动分离,显著降低了尾迹区监测点的压力脉动,并随尖速比 λ 增大(λ=1.68 → λ=3.08)显著缩短了系统动态响应时间(2.14 s → 1.16 s);在较低尖速比(λ=1.68)时,近壁圆柱翼可有效降低中低频段噪声;在中等尖速比(λ=2.50)时,实现较显著的全频段降噪,500 Hz 时,监测点 A 处的最大降幅达到 13.8 dB;当尖速比继续增大(λ=3.08)时,其对高频噪声的抑制效果有所减弱.声场指向性分析进一步表明:在中等尖速比(λ=2.50)时,近壁圆柱翼明显优化了 VAWT 周向噪声分布;声辐射机制随尖速比增加呈现由单极子向偶极子主导的转变.
垂直轴风力机噪声特性近壁圆柱翼流动分离
