CN113221281B - 一种预测风速对风机叶片动力特性影响的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种预测风速对风机叶片动力特性影响的方法，包括以下步骤：基于NREL风力机叶片翼型几何数据，建立风力机叶片实体模型，并将模型导入到ANSYS软件中；在静止和额定转速下情况下，对不同平均来流风速下风机叶片的最大位移相应和最大应力响应进行分析；对不同转速不同平均来流风速下风机叶片的最大位移相应和最大应力响应进行分析；根据牛顿插值公式，建立叶片最大位移w随风速V增加的拟合公式和叶片最大应力σ随风速V增加的拟合公式。本发明的一种预测风速对风机叶片动力特性影响的方法，可以预测任一平均风速下风力机叶片位移及应力的最大值，可为风力机的稳定安全运行提供技术参考。

Description

一种预测风速对风机叶片动力特性影响的方法
技术领域
本发明属于海上风机动力特性计算方法技术领域，具体涉及一种预测风速对风机叶片动力特性影响的方法。
背景技术
风力机由陆地走向海洋之后，由于没有地形和噪声方面的限制，单机尺寸和功率均可放得更大以获得更大的扫风面积。机组尺寸的增大，导致风力机叶片变得更长，弹性变形也变得更加明显。但是旋转过程中的风力机叶片同样会产生非常明显的应力刚化作用，使得叶片振动特性难以描述，而这种振动往往会导致叶片受损，甚至在极端工况下发生断裂或者击中塔架。因此，对风机叶片进行动力特性分析以避免事故的发生，这具有十分重要的现实意义。
目前，在风力机的动力学特性方面，国内外学者主要通过理论研究、有限元模型分析等方法开展了一些工作，但系统地数值模拟不同转速下来流风速对叶片位移和应力的影响的研究工作鲜见开展，而且基于牛顿插值函数来拟合叶片动力特性的变化规律的工作更是处于空白状态。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的缺陷，针对风力机在不同平均风速下的振动特性进行了数值模拟与分析，探讨了平均风速与叶片位移、应力响应之间的规律，并利用牛顿插值函数来揭示叶片动力特性的变化规律，可以预测任一平均风速下风力机叶片位移及应力的最大值，可为风力机的稳定安全运行提供技术参考。
为达到上述目的，本申请的技术方案为：
一种预测风速对风机叶片动力特性影响的方法，包括以下步骤：
(1)基于NREL风力机叶片翼型几何数据，利用UG软件建立风力机叶片实体模型，并将模型导入到ANSYS软件中，设置外流场及内流场；
(2)在静止和额定转速下情况下，设置至少三组不同的平均来流风速，对不同平均来流风速下风机叶片的最大位移相应和最大应力响应进行分析；
(3)对风力机转速采用不同转速，翼型正对平均方向，设置至少三组常规风速工况以及至少三组极端风速工况，对不同转速不同平均来流风速下风机叶片的最大位移相应和最大应力响应进行分析；
(4)对步骤(2)中不同平均来流风速下风机叶片的最大位移进行曲线拟合，根据牛顿插值公式，建立叶片最大位移w随风速V增加的拟合公式：
w(V)＝1.4764+0.0154×(V-5.0)-4.0954×10-4×(V-5.0)×(V-11.4)+3.6761×10-5×(V-5.0)×(V-11.4)×(V-30.0)-2.4376×10-6×(V-5.0)×(V-11.4)×(V-30.0)×(V-40.0)；
(1)对步骤(3)中不同转速不同平均来流风速下风机叶片的最大位移进行曲线拟合，根据牛顿插值公式，建立叶片最大应力σ随风速V增加的拟合公式：
σ(V)＝1.55×107+2741.9×(V-5.0)+2741.9×(V-5.0)×(V-11.4)+377.6546×(V-5.0)×(V-11.4)×(V-30.0)-21.6104×(V-5.0)×(V-11.4)×(V-30.0)×(V-40.0)。
其优选的技术方案为：
如上所述的一种预测风速对风机叶片动力特性影响的方法，步骤(2)中，所述平均来流风速分别8m/s、11.4m/s和15m/s。
如上所述的一种预测风速对风机叶片动力特性影响的方法，步骤(3)中，所述不同转速包括切入转速6.9rpm和额定转速12.1rpm，所述常规风速工况包括风力发电机在运行时的最小平均风速、额定转速时平均风速以及额定功率工况下平均风速，其中，风力发电机在运行时的最小平均风速、额定转速时平均风速以及额定功率工况下平均风速分别为5.0m/s、11.4m/s、20.0m/s，所述极端风速工况包括分别对应于11级、13级和15级风的平均风速，其中，11级、13级和15级风的平均风速分别为30.0m/s、40.0m/s、50.0m/s。
如上所述的一种预测风速对风机叶片动力特性影响的方法，步骤(2)和(3)中，对风机叶片的最大位移相应和最大应力响应进行分析的方法为：利用UG软件，对流场域和结构域分别进行网格划分与网格收敛性验证，利用ANSYS CFX模块对流场域进行分析，分析结果导入到Transient Structural模块中进行结构分析。
与现有技术相比，本申请所要求保护的技术方案至少具有以下技术效果：
本发明的一种预测风速对风机叶片动力特性影响的方法，针对风力机在不同平均风速下的振动特性进行了数值模拟与分析，探讨了平均风速与叶片位移、应力响应之间的规律，并利用牛顿插值函数，建立了叶片最大位移w随风速V增加的拟合公式以及立叶片最大应力σ随风速V增加的拟合公式来揭示叶片动力特性的变化规律，进而可以预测任一平均风速下风力机叶片位移及应力的最大值，可为风力机的稳定安全运行提供技术参考。
附图说明
图1为本发明实施例一种预测风速对风机叶片动力特性影响的方法的流程图；
图2为本发明实施例中静止与额定转速下三种平均来流风速下叶片的最大位移响应图；
图3为本发明实施例中静止与额定转速下三种平均来流风速下叶片的最大应力响应图；
图4为本发明实施例中平均风速为11.4m/s工况下叶片在计算时间历程内位移分布图；
图5为本发明实施例中6.9rpm和12.1rpm转速下叶片最大位移随平均风速的变化趋势图；
图6为本发明实施例中额定转速12.1rpm下的平均风速为5.0m/s、11.4m/s、30.0m/s、40.0m/s、50.0m/s下的最大位移随风速变化的仿真数据点及其牛顿插值函数曲线图；
图7为本发明实施例中叶片在计算时间历程内15m/s平均来流风速工况下出现最大应力时的应力分布情况图；
图8为本发明实施例中6.9rpm和12.1rpm转速下叶片最大应力随平均风速的变化图；
图9为本发明实施例中额定转速12.1rpm下的平均风速为5.0m/s、11.4m/s、30.0m/s、40.0m/s、50.0m/s下的最大应力随风速变化的仿真数据点及其牛顿插值函数曲线图；
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本发明实施例提供一种预测风速对风机叶片动力特性影响的方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)基于NREL(美国国家可再生能源实验室)的5MW风力机叶片翼型几何数据，采用UG软件建立风力机叶片实体模型，并将模型导入到ANSYS软件中，设置外流场及内流场。
(2)在静止和额定转速下情况下，设置至少三组不同的平均来流风速，对不同平均来流风速下风机叶片的最大位移相应和最大应力响应进行分析。
(3)对风力机转速采用不同转速，翼型正对平均方向，设置至少三组常规风速工况以及至少三组极端风速工况，对不同转速不同平均来流风速下风机叶片的最大位移相应和最大应力响应进行分析。
(4)对步骤(2)中不同平均来流风速下风机叶片的最大位移进行曲线拟合，根据牛顿插值公式，建立叶片最大位移w随风速V增加的拟合公式：
w(V)＝1.4764+0.0154×(V-5.0)-4.0954×10-4×(V-5.0)×(V-11.4)+3.6761×10-5×(V-5.0)×(V-11.4)×(V-30.0)-2.4376×10-6×(V-5.0)×(V-11.4)×(V-30.0)×(V-40.0)；
(5)对步骤(3)中不同转速不同平均来流风速下风机叶片的最大位移进行曲线拟合，根据牛顿插值公式，建立叶片最大应力σ随风速V增加的拟合公式：
σ(V)＝1.55×107+2741.9×(V-5.0)+2741.9×(V-5.0)×(V-11.4)+377.6546×(V-5.0)×(V-11.4)×(V-30.0)-21.6104×(V-5.0)×(V-11.4)×(V-30.0)×(V-40.0)。
本实施例中，步骤(2)中，来流风速是影响风力机叶片动力特性的主要影响因素之一，在静止和额定转速下情况下，本实施例设置8m/s、11.4m/s和15m/s三种平均来流风速，以探究位移和应力响应，如图2～2所示。可以看出，旋转工况下的应力和位移均明显高于静止工况下的情形，但随着风速增长，静止工况下的位移和应力峰值增幅均高于旋转工况下的情形，这说明旋转作用的影响相对减弱，平均风速的影响逐渐增强。在三种不同的平均风速下，位移及应力响应曲线变化趋势基本相同，且振动周期基本接近。
步骤(3)中，根据NREL给出的风力机设计参数，NREL 5MW离岸型风力发电机在运行时的最小平均风速为5.0m/s；达到额定转速时，平均风速为11.4m/s；达到额定功率工况下，平均风速为20.0m/s。故本发明实施例选定5.0m/s、11.4m/s、20.0m/s三种常规风速工况(分别对应3级、6级和8级风)进行分析，风力机转速采用切入转速6.9rpm和额定转速12.1rpm，翼型正对平均方向。同时，为了模拟海上极端天气情况，加入30.0m/s、40.0m/s、50.0m/s极端风速工况(对应11级、13级和15级风)加以对比。
步骤(2)和(3)中，对风机叶片的最大位移相应和最大应力响应进行分析的方法为：利用UG软件，对流场域和结构域分别进行网格划分与网格收敛性验证，利用ANSYS CFX模块对流场域进行分析，分析结果导入到Transient Structural模块中进行结构分析。
下面首先对叶片位移特性进行分析。
请参阅图4，图4给出了叶片在计算时间历程内平均风速为11.4m/s工况下的位移分布，显然，叶片根部靠近转轴位置位移最小，沿翼展方向叶片位移逐渐增大，在翼尖处达到最大。
步骤(4)中，如图5所示，图5展现了两种转速6.9rpm和12.1rpm下叶片最大位移随平均风速的变化趋势。由图中曲线不难发现：
1)随着风速的增加，叶片的最大位移呈非线性增长，均呈现常规风速阶段增速较缓、破坏性风速时增速较为明显的趋势；
2)对比两种不同转速下的最大位移可知，由于旋转带来的应力刚化作用影响，转速高的工况最大位移随风速增加的增大趋势相对平缓，由此导致两条曲线间的间距逐渐缩小，在平均风速达到约46m/s后，6.9rpm转速下的最大位移超过了12.1rpm转速下的值；
3)当平均风速低于20m/s时，两种转速下的最大位移增长趋势接近且平缓，这说明NREL 5MW型风机叶片在常规风速工况的表现较为稳定。
请继续参见图6，图6为额定转速12.1rpm下的平均风速为5.0m/s、11.4m/s、30.0m/s、40.0m/s、50.0m/s下的最大位移随风速变化的仿真数据点及其牛顿插值函数曲线图。结果可以发现：曲线呈现出平滑过渡的趋势，拟合公式准确地反映了最大位移随风速变化的规律，该公式可为工程上根据风速来计算位移提供参考。
下面对叶片动力特性进行分析。
针对步骤(5)，请参阅图7，图7为叶片在计算时间历程内15m/s平均来流风速工况下出现最大应力时的应力分布情况图。不难看出：
1)最大应力发生在叶片中部，符合叶片设计时中部的翼型采用风能转化效率较高的DU翼型族的设计思路；
2)在叶片与转轴链接的部位发生了一定程度的应力集中，这是容易造成风力机在运行过程中根部安装螺栓发生疲劳断裂的主要原因之一。
请继续参阅图8，图8为6.9rpm和12.1rpm转速下叶片最大应力随平均风速的变化图。该图中的曲线变化趋势与图5中所示最大位移变化趋势基本相同：随着风速的增加，最大应力非线性增长，在常规风速时增速较缓，转速影响不大，而破坏性风速时增速较快，转速越小增速越快。
与位移类似，针对图7中额定转速12.1rpm工况下最大应力随风速变化，利用平均风速为5.0m/s、11.4m/s、30.0m/s、40.0m/s、50.0m/s的仿真结果进行牛顿插值计算，如图9所示。由图9不难得知，牛顿插值曲线光滑平坦，说明利用牛顿插值函数的方法来探求平均风速对风机叶片最大应力是切实可行的，牛顿插值公式准确地揭示了叶片最大应力随平均风速的变化规律。
下面对本实施例中的一种预测风速对风机叶片动力特性影响的方法的预测精度进行评价：
在额定转速为12.1rpm下，平均风速为20m/s时，通过本专利的数值模拟结果，可以得到其最大应力和位移分别为w0＝1.6893(m)和σ0＝1.70×107(Pa)，即分别为图5和图8中的空心点。利用本专利给出的公式(5)和公式(6)，可以求得其最大位移和应力分别为和/>以有限元计算结果为基准，可以求得最大位移和最大应力的相对误差分别为：
可以发现，其相对误差均小于3％，具有较高的预测精度，这说明利用牛顿差值函数预测平均风速对风机叶片动力特性的影响规律是切实可行的。
本发明的一种预测风速对风机叶片动力特性影响的方法，针对风力机在不同平均风速下的振动特性进行了数值模拟与分析，探讨了平均风速与叶片位移、应力响应之间的规律，并利用牛顿插值函数，建立了叶片最大位移w随风速V增加的拟合公式以及立叶片最大应力σ随风速V增加的拟合公式来揭示叶片动力特性的变化规律，进而可以预测任一平均风速下风力机叶片位移及应力的最大值，可为风力机的稳定安全运行提供技术参考。

Claims (1)

1.一种预测风速对风机叶片动力特性影响的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)基于NREL的风力机叶片翼型几何数据，采用UG软件建立风力机叶片实体模型，并将模型导入到ANSYS软件中，设置外流场及内流场；
(2)在静止和额定转速下情况下，设置至少三组不同的平均来流风速，对不同平均来流风速下风机叶片的最大位移相应和最大应力响应进行分析；所述平均来流风速分别8m/s、11.4m/s和15m/s；对风机叶片的最大位移相应和最大应力响应进行分析的方法为：利用UG软件对风力机叶片进行实体建模，对流场域和结构域分别进行了网格划分与网格收敛性验证，并利用ANSYS CFX模块对流场域进行分析，分析结果导入到TransientStructural模块中进行结构分析；
(3)对风力机转速采用不同转速，翼型正对平均方向，设置至少三组常规风速工况以及至少三组极端风速工况，对不同转速不同平均来流风速下风机叶片的最大位移相应和最大应力响应进行分析；所述不同转速包括切入转速6.9rpm和额定转速12.1rpm，所述常规风速工况包括风力发电机在运行时的最小平均风速、额定转速时平均风速以及额定功率工况下平均风速，其中，风力发电机在运行时的最小平均风速、额定转速时平均风速以及额定功率工况下平均风速分别为5.0m/s、11.4m/s、20.0m/s，所述极端风速工况包括分别对应于11级、13级和15级风的平均风速，其中，11级、13级和15级风的平均风速分别为30.0m/s、40.0m/s、50.0m/s；对风机叶片的最大位移相应和最大应力响应进行分析的方法为：利用UG软件对风力机叶片进行实体建模，对流场域和结构域分别进行了网格划分与网格收敛性验证，并利用ANSYS CFX模块对流场域进行分析，分析结果导入到Transient Structural模块中进行结构分析；
(4)对步骤(2)中不同平均来流风速下风机叶片的最大位移进行曲线拟合，根据牛顿插值公式，建立叶片最大位移w随风速V增加的拟合公式：
(5)对步骤(3)中不同转速不同平均来流风速下风机叶片的最大位移进行曲线拟合，根据牛顿插值公式，建立叶片最大应力σ随风速V增加的拟合公式：
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