风电机组尾流与疲劳载荷关系分析

为了研究风电机组尾流对下游风电机组载荷的影响,假设了几个重要尾流参数:上下游风电机组间距、上游风电机组推力系数、湍流强度等。采用Bladed软件和Matlab幅频程序,分别对1.5与3.0 MW双馈式风电机组进行各参数与载荷响应的关系计算。结果表明:风轮处风速会随着推力系数的增大非线性减小;风电机组处于尾流影响范围内时,在风速和推力系数相同的条件下,通常湍流强度受尾流影响后减小使载荷增大,但当推力系数对载荷的影响起主导作用时,虽然湍流强度受尾流影响后减小但载荷会增大;当风速大于额定风速时,应采用变桨控制减小推力系数,以减小风电机组的疲劳损伤。     

基于LPV增益调度的风电机组控制验证与仿真分析

随着风力发电机组装机容量的持续增加,风力发电机组出力特性及其优化运行成为行业关注的热点。针对湍流风下风电机组的动态响应特性,提出抑制风湍流的LPV增益调度控制方法。基于2 MW风电机组模型进行控制器设计,分别采用PI控制算法与LPV控制算法进行仿真计算。机组载荷的波动主要集中在风轮旋转频率1 P的倍频上。仿真计算结果表明在不同风速下,机组显示出不同的运行特性。在低风速时,塔影效应的作用较为显著,在高风速时,湍流对载荷的影响较为明显。相比于PI控制,LPV控制能够跟随机组运行状态调整控制参数,能更好的抑制湍流对机组的影响。在16 m/s湍流风下,功率和齿轮箱低速轴转矩在3P分量上分别降低了35.1%和41.8%。因此,在LPV控制下,齿轮箱的疲劳损伤降低了,发电机的功率波动减缓了。能够增加风电机组的预期寿命,对电网也更加友好。     

基于复合MPC算法的风电机组降载控制

随着风电机组单机容量的不断增大，风电机组的关键部件承受的载荷也越来越大，对风电机组可靠性的要求也越来越高，因此，要求风电机组控制策略与技术，既能实现功率优化控制，又能实现降载控制。研究基于模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）理论，设计了一种基于风电机组多控制目标的运行区间划分方法的风电机组复合模型预测控制（Multi Model Predictive Control，Multi MPC）控制器。首先建立基于Matlab和TUV GL bladed的联合实时仿真平台，将MPC控制器与传统PI控制器进行对比分析，并以DUV GL Bladed软件中2 MW双馈式风电机组非线性模型作为研究对象，对Multi MPC控制器、MPC控制器和传统的比例积分微分（Proportional Integral Differential，PID）控制器进行了降载控制仿真分析。研究结果表明，Multi MPC控制器能够减小风电机组转速波动幅度，抑制转速超调量，降低传动链的载荷；能够抑制桨距角的波动幅度和变化速率，降低变桨距机构的运行载荷，提高机组运行可靠性。     

基于SCADA数据的风电机组关键载荷预测

风电机组关键位置载荷预测对风电机组安全、经济运行具有重要意义。通过建立SCADA数据与载荷间的近似关系对风电机组关键位置载荷进行预测。采用BP神经网络建立SCADA数据和载荷的关系模型,利用SCADA数据与载荷间的相关性来筛选模型输入参量,采用试错法确定BP神经网络的层数与神经元数量。针对某2.5 MW风电机组的7处关键位置进行了载荷实测。研究表明,在不采用风速作为输入参量的情况下,模型的预测结果与实测结果具有良好的一致性,相对误差的均值在1.28%到15.6%之间,决定系数R2在0.951到0.882之间;与试错法选择输入参量相比,基于相关性计算的输入参量选择方法能够更高效地筛选出更多恰当的SCADA参量,从而进一步提高预测准确度。因此,基于BP神经网络建立SCADA数据与载荷的近似关系可作为风电机组关键位置载荷预测评估的有效手段。     

BYW-400型冰草种子振动丸粒化包衣机种子丸化运动特性

为探究冰草种子丸化包衣运动特性,揭示冰草种子丸化包衣机理。该文采用理论分析、数值模拟、试验验证相结合的方法,研究冰草种子丸化规律及运动特性。建立了基于Hertz接触理论的振动模型与转动模型,对物料流流动特性进行了分析。利用离散元仿真软件EDEM对振动强度为21%和无振动以及不同的包衣锅倾斜角度进行10 s模拟仿真及其混合度分析,并通过单因素对照试验验证了丸化包衣中振动和转角对丸化合格率的影响。研究结果表明:冰草种子的丸化与种子和粉料的碰撞深度、种粉间的最大载荷、黏性底层厚度有关;振动的引入,可以改变速度的大小,提高湍流流动性和颗粒间运动复杂程度,最终可以提高种子丸化合格率;包衣机在包衣锅转速为48.6 r/min、包衣锅倾角40.3°的情况下,改变振动强度可以明显影响丸化率,且当振动强度为21%、倾斜角度约为45°时,丸化合格率能达到89.5%。该研究为揭示冰草种子丸化包衣机理提供参考依据。     

果园货运链索风致振动非线性动力学分析

为解析风荷载持续激励对果园货运系统工作稳定性的影响,研究了行进链索在不同风荷载条件下的风致振动响应。基于Hamilton原理推导了风荷载作用下行进链索横向振动的动力学微分方程,采用Crank-Nicolson半显示数值离散方法对方程进行离散求解,仿真分析了行进链索在不同平均风速作用下的横向振动特性。设计了链索货运系统的风荷载试验平台,采用Lab Windows/CVI对采集视频分帧后的图像进行处理,试验对比研究了不同平均风速风荷载激励的链索横向振动。研究结果表明,平均风速在0~10 m/s范围内变化的低速风荷载起到了一定的气动阻尼作用,行进链索的横向振动幅值减小并呈收敛趋势。该文为风荷载作用下轴向行进链索横向振动控制研究提供了理论参考。     

塔克拉干沙漠腹地沙尘暴天气下风速脉动特征

利用塔克拉玛干沙漠2次沙尘暴天气条件下人工绿地近地层80 m风速观测资料,探讨近地层风速脉动特征及其与能见度、PM_(10),PM_(2.5)的关系,为进一步研究湍流情况下风蚀和风扬粉尘释放奠定基础。结果表明:(1)不同高度风速脉动值在随高度的变化上近似符合高斯分布且在时间序列上波动性均具有一致性,脉动频率不稳定,无明显周期性,相邻高度间均具有显著相关性。(2)风速脉动强度随风速增大而增强,随距离地表高度的降低呈先增大后降低的趋势。湍流度均与高度成反比关系,整体上均随着高度的降低而增大,因为地表植被的存在增大了湍流度。(3)沙尘暴过程中地面风速的大小对水平能见度,PM_(10),PM_(2.5)具有直接影响,风速脉动变化与水平能见度呈现反比关系,与PM_(10),PM_(2.5)呈现正比关系。     

浓缩风能装置内部流场仿真分析

浓缩风能装置是浓缩风能型风力发电机组的主要部件之一,其结构直接影响机组输出功率的大小。为了提高浓缩风能装置的浓缩效率,以浓缩风能装置为研究对象,应用三维建模软件与CFD(computational fluid dynamics)软件建立了几何模型与网格模型。基于上述模型,提出应用数值模拟方法对浓缩风能装置内部流场进行仿真分析,并通过比较分析不同湍流模型下的内部流场特性,得知标准κ-ω湍流模型更加适用于浓缩风能装置内部流场仿真。基于上述浓缩风能装置模型和湍流模型,分别对不同尺寸参数的浓缩风能装置内部流场特性进行仿真分析,得到了扩散角对浓缩风能装置内部流场特性的影响比收缩角、中央圆筒长度的影响大的规律,此规律为浓缩风能装置结构优化与设计提供了依据,优化后的结构能明显提高风能品质和风电机组输出功率。     

含气率对小流量下混流式混输泵轴系振动的影响

振动是反映混输泵运行稳定性的关键指标,液体含气率对混输泵的振动强度有重要影响.为探究小流量工况下含气率变化对混输泵轴系振动的影响规律,该研究以某3级混流式气液混输泵为研究对象,采用建立的多通道振动测试系统采集小流量工况下混输泵输送不同含气率的水时主轴和轴承座的振动信号,然后分析水中含气率对主轴和轴承座振动特性的影响规律...     

基于原型观测的梯级泵站管道振源特性分析

以景电二期3泵站2号输水管道为对象,结合原型试验观测数据,研究该类型泵站结构的振源组成及其对管道的影响。首先,对连接2号管道的4号、5号机组正常运行和开关机过程中引起的管道结构振动频率进行识别统计,确定其动荷载来源;然后,分析统计不同工况下管道结构主要部位达到峰值时各分频所占比例,计算不同工况下各频带能量对总能量的贡献率。计算结果表明:机组稳定运行时,叶频和转频倍频引起的振动比例达73.4%,是管道振动的主振源低频所占比例为12%左右;机组开机过程中,低频水流脉动所占比例增加到33.7%,叶频所占比例保持40%左右,叶频和低频是主要振源;机组关机过程中,低频水流脉动引起的振动比例达73.3%,水体-管道耦合引起的高频振动达21.7%左右,低频水流和高频是主要振源,且低频对管道顺水流方向振动影响较大。研究结果有助于从量级上评价管道振动的原因及引起振动的各分频贡献率,以期为管道结构主动控制和安全运行提供依据。     

基于本征正交分解的水平轴风力机非定常尾迹特性分析

风力机的尾流效应对下游风力机的气动性能和疲劳载荷均有重要影响。为了研究叶尖速比对水平轴风力机非定常尾迹特性的影响,该研究在中性大气条件下采用基于致动线模型的大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）方法对不同叶尖速比下运行的风力机进行了数值模拟,并采用本征正交分解（Proper Orthogonal Decomposition, POD）方法对风力机尾迹结构进行了分析。结果表明,叶尖速比对风力机下游12D（D为风轮直径）范围内速度分布有显著影响,随着流向距离的增加,叶尖速比的影响逐渐减弱;风轮尾迹中2D处的速度亏损最大,在下游28.5D附近速度完全恢复;叶尖速比对风力机尾迹湍流强度有很大影响,叶尖速比为2时尾流湍流强度最弱,而叶尖速比为3时尾流湍流强度最大,说明该叶尖速比下尾流与大气边界层掺混作用剧烈,有利于尾迹速度恢复;叶尖速比对风力机尾迹结构的尺度和含能大小有显著影响,叶尖速比为3时尾迹中的大尺度结构及其含能占比最高,随着POD模态阶数的增加,尾流结构尺度和含能逐渐减小;风力机尾迹结构由反向旋转的高、低速涡对组成,其垂向尺度可达到整个边界层厚度,而风力机风能吸收利用效率主要体现在尾迹展向湍涡结构的尺度。该研究可为深入理解叶尖速比对风力机尾迹平均统计特征及结构演化的影响提供依据,为风力机优化设计和运行策略制定提供帮助。     

风轮典型振型动态频率的间接测试和识别方法

基于多种混合振动信号传递中各组成信号的频率保持特性,建立了风轮典型振型动态频率的间接测试和识别方法,并利用试验测试与数值仿真相结合的方法佐证了该方法的可靠性。具体方法是在电机前端部靠近风轮处布置加速度传感器捕获沿风轮轴向的加速度时域信号,通过快速傅里叶变换(fast fourier transformation,FFT)获得被测信号的频域特征,进而结合风轮模态振型及频谱特征识别其典型振型动态频率值。经与数值仿真结果比较,测试相对误差控制在5%以内,精度较好。同时,由于该方法无需在叶片表面大量布装传感器,故具有在不破坏叶片表面原有形态,完整保留风轮流场和结构场特征的前提下简捷获取风轮典型振型动频值的测试优势,有效解决了现今风轮典型振型在运行工况时动态频率值监测难、识别难的技术困境,同时可为风轮健康监测提供参考。     

低空急流对近地表风力机械结构载荷的影响

为分析低空急流对风力机械结构载荷的影响,该研究采用谐波叠加法对低空急流谱模型进行计算以生成大气入流,并基于叶素动量理论和几何精确梁方法对一台高度为270 m的15 MW风力机进行载荷分析。结果表明,低空急流在风力机高度范围内的速度剖面呈现射流和强剪切的耦合特征;低空急流最大可使风轮功率增大约40%,风轮俯仰力矩增大50%,风轮偏航力矩增大1.5倍,塔基偏航力矩的波动强度增加60%;同时,还会造成风轮偏航和俯仰力矩功率谱特性呈双阶梯型分布特征;当急流高度低于轮毂高度时,风力机俯仰力矩促使风轮向下倾斜,会增加风力机叶片打塔风险。因此,在低空急流多发地区安装风力机等高耸结构物时,应充分考虑低空急流对风力机结构载荷特性的影响。研究可为风力机在内的大尺寸高耸结构物的载荷安全性分析提供参考。     

螺旋型垂直轴风力机的气动性能研究及结构参数优化

在H型垂直轴风力机的研究基础上,针对其启动性能较差、风能利用系数低等问题,提出了一种螺旋型垂直轴风轮。首先基于流管模型通过MATLAB编程对其性能开展了粗略分析,然后通过Fluent软件对螺旋型风轮进行了数值模拟,研究了风轮结构参数对其气动性能和启动性能的影响规律,并将优化的螺旋型风轮与同扫掠面积的H型风轮进行了对比。结果表明螺旋型风轮在旋转一周过程中,力矩系数波动幅度不超过40%,且力矩系数均为正值,利于其启动;此外,螺旋型风轮的风能利用系数也较H型风轮高2%~3%,尤其是在叶尖速比较低的情况。该文提出的螺旋型风力机较之H型风力机,在旋转过程中力矩系数变化小,在4 m/s风速即可启动,拓宽了可利用的风能范围,在低风速区域更适用,且整体风能利用系数也能有所提升。     

风波流对多平台阵列浮式风机Spar平台运动特性的影响

平台结构的稳定性是浮式风力机安全运行的最基础保障。为探究浮式风力机平台阵列的动态响应特性,该文提出一种3×3方阵排布的共用系泊系统多平台阵列方案,建立基于OC3-Hywind Spar Buoy平台的NREL 5 MW浮式风力机整机模型,通过辐射/绕射理论并结合有限元方法,分别研究并对比了单个平台和3×3方阵排布的多平台的动态响应特性。结果表明:浮式风力机Spar平台在纵荡、垂荡和纵摇方向响应均集中于低频波浪(波浪频率低于0.5 rad/s时);3×3方阵排布位于四顶点处的平台存在一定的横荡响应,响应范围约为?0.2~0.2 m,其余平台横荡响应可忽略不计;随着环境载荷的加剧,单平台纵荡响应急剧增大,响应范围由?0.25~0.25 m增大到?1.5~1.5 m,多平台时纵荡响应变化不明显,均保持在?1.5~1.5 m,同时,多平台纵摇响应明显低于单平台,验证了该文所提方案的有效,从而为未来海上风电场的建设提供了理论参考。     

基于高频PIV的偏航对风力机叶片尾迹膨胀和叶尖涡耗散影响

为了揭示叶片尾迹结构随偏航角变化的响应特征,该文以直径为1.4m的水平轴风力机为模型,利用高频PIV开展了尾迹流场特征的试验测试,探究了尾迹膨胀、叶尖涡耗散与来流风速、接入负载(即叶片转速)、偏航角度间的关联性和关联规律。研究结果揭示:不偏航时,随着发电机接入负载的增加,尾迹流动向风轮外侧膨胀的趋势变大,外流场与尾迹流场间的掺混效应加剧,从而导致叶尖涡耗散速率加快;偏航时,偏航行为会使尾迹流场向风轮内侧收缩,且收缩速率会随着偏航角的增加而变大,此时外侧流场与尾迹流场间的掺混效应减弱,从而导致叶尖涡扩散速率减小。测试结果同时揭示:在叶尖涡脱落的初始阶段,涡量值存在先增大后减小的规律性变化。同时,偏航状态下,叶片转速的增加会促使最大涡量值点提前出现,且提前出现的趋势会随偏航角的增大而加剧。该文以试验测试的方法揭示了叶片的尾迹膨胀和叶尖涡耗散特征,相关成果对于叶片尾迹结构组成和输运规律的深入探究具有较重要的参考价值。     

低风速适用型水平轴风力机气动性能优化与试验

为开发低风资源适用型风力机,以100 W水平轴风力机为研究对象,分析不同设计叶尖速比和设计攻角对风轮变风况气动性能的影响;考虑低风速地区风资源数据统计特点,以提高年发电量和降低启动风速为目标,以设计叶尖速比、设计攻角、叶片弦长和扭角为变量,采用NSGA-II算法进行全局多目标气动寻优;开展风力机性能测试试验。结果表明,优化后年发电量提高了9.14%,风轮启动转矩提高了9.62%;在不同负载条件下,优化叶片功率输出均有明显提高,启动风速由3.84 m/s降低到3.03 m/s;该方法避免设计陷入局部优化,提供一种低启动风速与高功率输出矛盾解决方案,为低风速水平轴风力机设计与应用提供重要参考。