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大型叶片气弹振动问题探讨

北极星风力发电网  来源:北极星风力发电网    2020/10/15 11:25:31  我要投稿  

北极星风力发电网讯:2020年10月14日,新疆金风科技股份有限公司研发中心叶片研发负责人闻笔荣在2020北京国际风能大会暨展览会(CWP 2020)上发表了关于“大型叶片气弹振动问题探讨”主题演讲。

微信截图_20201015112125.png

以下为发言实录:

闻笔荣:各位业内的同行嘉宾领导,大家下午好,我是金风科技叶片发言团队的闻笔荣,

我要分享的有三个部分。第一,叶片发展趋势浅析;第二,稳定性分析介绍;第三,案例说明。平价时代品的到来,今年开始投标所有项目上网电价跟火电一致的,三类和四类风区电价近乎腰斩,风机和叶片怎样设计,怎样让项目具备开发价值,这是业内需要面对一个比较大的问题。

我们看到,未来机组价格尚需进一步降低,发电量不断提升,这样项目才具备开发价值。国内待开发风电场资源在6米及以下风速,这是未来我们主要市场,叶片是发电量又轻又好的叶片,提升发电量叶片需要做的工作,CP提高就可以。但是提高发电量是有技术难度的问题,高性能的叶片设计存在很多的技术点,最简单粗暴的把叶片拉长,这是大家看到的2.5兆瓦机组,从5年前110米到现在有的厂家做到150米这直观反映了提高发电量厂家的努力。

长柔叶片能够提升发电量使成本降低,有优点,同时也有风险。我们列出来了细长柔性结构,包括大的预弯和扭转,这样新的造型,包括柔性的增加是有一定影响,叶片在气动的作用下,会有非线性的变形,导致叶片的气弹不稳定性更容易发生,另外控制策略响应,包括执行机构对于大型叶片的控制,而设计的时候需要做更多考虑。柔性叶片会遇到振动问题,这里包括它的扭转发散,各个方向来说,各种不稳定,以及可能会出现失速的震颤,这是在风动里面对叶片做的分析,在叶片大变形情况下,柔性叶片很有可能会出现失速震颤的问题,其实摆动方向的振动是在1997年LM19米的叶片,过去小叶片也有这些问题,只是这些问题在长柔叶片当中更容易发生。

我列了一下关于风电机组叶片气弹模型需要到的一些结构模块和耦合方法,因为长柔叶片的稳定性叶片,对叶片产生激励,由机构和气动提供阻力来提高稳定性,如果振动收敛了就是稳定的,气动模型包括BEM模型,还有EDL的仿真,以及后面的耦合方式,独立求解,作为气动稳定性计算的基础。

现在简单介绍一下使用的几个模型的基本方法。

大家比较清楚模型就是Vortex,它的计算方式,相对来说比一些气动附件VG更准确,同时对夜间有更精确的描述。制动线是另外一种方法,用在整个风场对于尾流和风电厂的验证,在我们当中参照用的比较少。最后是CFD的仿真,这个是基于NS方程的求解,对于所有的气动跟夜间损失,包括流场分布会有更精确的结果,但是计算量比较大,一般用在最终的叶片设计定型之后一个校核的结果。在结构上根据各个界面属性的求解列出了2D、3.5D求解的方法,这是比较通用的软件。

下面介绍一下几种计算稳定性的方法。

第一种,用梁的模型来做的气弹分析中应用,这个会有一定的偏差。

第二种,限元法,各个节点之间通过气部数字模型转化结算变形,对于变形和它的模态进行一个分析,是现在跟实际相对来说比较贴合的一种计算方法。3D模型的计算是未来一种发展趋势,它对于这种模态刚度来说更准确,但是计算量要求各方面比较多。

第三种,展示一个计算的算例,我们在自主开发的70米以上的模块叶片以上,对于效应做了一个应用和分析,在考虑到叶片弯扭过程当中发现,叶片CP那么大曲线是有很大差异的,基于这样一个差异,在数学模型当中进行一个优化,来找到对应的风场信息或者设计标地最适合的叶片设计,最终通过这种优化来提高它的动态功率曲线和整个发电量。

但是非线性的方式在计算过程当中有很多差异,我们在设计和中间评估过程当中发现,非线性和线性建模,选取了100秒的数据,发现位移的数据都是有明显偏差的,最后在扭角的角度上来说,非线性和线性建模出现了较大的差异,扭转的角度也是有大的发散情况,在线性建模确定叶片和机组没有任何问题的情况下,如果转化成非线性的建模方式会得到一个不一样的结果,但是这个对于长柔的叶片是一个重要的步骤。同时我们对比了一个线性和非线性的建模,做了一个分布,包括气弹阻力的变化情况,大叶片变形量比我们所用软件线性计算大很多,很多都会存在这些因素。

最后,我们在做完这些工作之后,都会通过CFD的仿真结合叶片压力和叶片结构载荷进行一个偶合计算,通过CFD进行一个多角度的变形,下面两个图是几个观察点上面一个点的运行情况,我们通过这个情况,每个周期之下的轨迹能够去分析这个叶片稳定性的一些情况。

以上就是我汇报的全部内容,也是一个抛砖引玉,我们在遇到一些问题处理当中和一些分析方法,希望给大家一些借鉴的经验,谢谢大家!

(根据速记整理,未经本人审核)

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