考虑台风时空变异性的15 MW海上风电机组来流风速场研究 被引量：1

1

作者 王浩 吕志童 +3 位作者 信志强 柯世堂 王同光 许波峰 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2024年第22期253-260,共8页

已有针对大型海上风电机组的抗台风安全研究较少考虑对同一机组台风过境全过程的影响和同一时刻海上风电场不同机组的影响。然而,实际上台风具有显著的时空变异特征,随着海上风电机组日益朝着高大化趋势发展,有必要重新审视台风时空变... 已有针对大型海上风电机组的抗台风安全研究较少考虑对同一机组台风过境全过程的影响和同一时刻海上风电场不同机组的影响。然而,实际上台风具有显著的时空变异特征,随着海上风电机组日益朝着高大化趋势发展,有必要重新审视台风时空变异性对大型海上风电机组结构安全性的影响。以未来主流大型海上风电机组(15 MW海上风电机组)和主流海上风电场规模为研究对象,基于气象实测数据和台风多阶段风速场数据驱动模型获取了台风“威马逊”(1409)的台风致风速场时空变异特征,并反演了台风“威马逊”影响下同一时刻不同机组和同一机组不同时刻的15 MW海上风电机组的来流风速场,并开展了相应的极值对比分析。研究结果表明,台风时空变异性对海上风电机组的来流风速场影响显著,将导致同一风电场内的不同机组来流风速可能存在量级差异,也意味着相同设计标准下的风电机组在同一台风影响下会存在截然不同的结构安全表现。通过对台风时空变异特征及其引起的来流风速场进行研究,阐明了这些因素对大型海上风电机组结构抗台风安全性影响的重要性,可为面向我国海域的大型海上风电机组安全设计提供参考依据。 展开更多

关键词 海上风电 台风时空变异性 风电机组 风速场 极值风速

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风力机翼型气动外形与内部拓扑结构一体化优化

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作者 张帆 朱杰 +3 位作者 蔡新 杨帆 黄文婷 戴天师 《可再生能源》 北大核心 2025年第5期629-636,共8页

为使风力机翼型同时具有较好的气动与结构性能,文章提出了一种翼型气动外形与内部拓扑结构一体化优化方法。采用Hicks-Henne型函数表征翼型气动外形,利用XFOIL计算其气动性能;通过ANSYS建立翼型有限元模型并计算其拓扑结构性能。在此基... 为使风力机翼型同时具有较好的气动与结构性能,文章提出了一种翼型气动外形与内部拓扑结构一体化优化方法。采用Hicks-Henne型函数表征翼型气动外形,利用XFOIL计算其气动性能;通过ANSYS建立翼型有限元模型并计算其拓扑结构性能。在此基础上,采用MATLAB编写基于遗传算法且以升阻比最大以及结构柔顺度最小为目标的优化程序。对某1.5 MW风力机叶片的5种基本翼型进行3种目标权重因子下的优化设计,结果表明,相比于初始翼型,各优化翼型的最大升阻比均有提升,且结构柔顺度均有减小,并获得了基本一致的上、下表面主梁帽分别向前缘及后缘偏移的内部结构概念设计方案。与原叶片相比,采用优化翼型的新叶片结合微小的主梁帽偏移量可令叶片的气动与结构性能得到有效提升。 展开更多

关键词 风力机翼型 气动外形 拓扑结构 一体化优化

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基于监测数据的风电机组湍流识别及降载研究 被引量：1

3

作者 汪亚洲 蔡新 +3 位作者 林世发 王浩 张远 边赛贤 《太阳能学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第6期360-366,共7页

针对风电机组在极端湍流工况常出现载荷极值,危及机组运行安全的问题,提出基于风电机组监测数据的湍流强度识别方法,构建利用机舱加速度间接计算湍流阈值的计算模型,并进一步提出极端湍流工况的降载策略。降载往往会造成机组发电量的损... 针对风电机组在极端湍流工况常出现载荷极值,危及机组运行安全的问题,提出基于风电机组监测数据的湍流强度识别方法,构建利用机舱加速度间接计算湍流阈值的计算模型,并进一步提出极端湍流工况的降载策略。降载往往会造成机组发电量的损失,由此构建极端湍流工况降载优化数学模型,通过求解满足约束条件的目标函数极值,实现降载与发电量的双优兼顾。以某5 MW机组为例,通过数值仿真对降载效果进行验证,结果表明在不损失正常湍流工况发电量的情况下,机组轮毂M_(y)和塔顶M_(y)极限载荷分别降低15%和12.1%,其他部位载荷降低约5%。 展开更多

关键词 风电机组 湍流 监测 降载 湍流阈值

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基于独立变桨控制的台风下风电机组停机载荷分析 被引量：3

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作者 许波峰 戴成军 +5 位作者 蒋澎 王海良 汪亚洲 纪宁毅 刘皓明 蔡新 《可再生能源》 CAS CSCD 北大核心 2022年第6期787-791,共5页

极端相干阵风(ECD)和台风极端风向变化(EDC_(T))两种风况中存在风向的极端变化,在此工况下风电机组停机,风轮的不平衡载荷更加显著。针对风电机组停机时转速下降的特点,文章对传统独立变桨控制中滤波器的设置方法、相位补偿的设置方法... 极端相干阵风(ECD)和台风极端风向变化(EDC_(T))两种风况中存在风向的极端变化,在此工况下风电机组停机,风轮的不平衡载荷更加显著。针对风电机组停机时转速下降的特点,文章对传统独立变桨控制中滤波器的设置方法、相位补偿的设置方法和工作区间进行了改进,提出了独立变桨停机控制策略。文章设计了GH Bladed和MATLAB/Simulink交互软件,采用改进的独立变桨停机控制策略,仿真了NREL 5 MW风电机组在ECD和EDC_(T)风况下停机载荷的变化特性。研究结果表明:提出的控制策略可以有效减小机组停机时轮毂M_(YN)和M_(ZN)的极限载荷,减小幅值达39%,显著降低了台风极端风向变化对停机时的风电机组结构的冲击。 展开更多

关键词 风电机组 台风 停机 独立变桨 极限载荷

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基于TMD控制的浮式风力机稳定性研究 被引量：5

5

作者 蔡新 张洪建 《河海大学学报（自然科学版）》 CAS CSCD 北大核心 2021年第1期70-76,共7页

针对浮式风力机受到各种复杂载荷而产生的稳定性问题,通过在5 MW Barge风力机机舱内配置调谐阻尼质量器(TMD),利用FAST模拟结构的动力特性,研究TMD对海上浮式风力机平台运动特性、塔顶位移以及塔架根部载荷的控制效果。此外,基于遗传算... 针对浮式风力机受到各种复杂载荷而产生的稳定性问题,通过在5 MW Barge风力机机舱内配置调谐阻尼质量器(TMD),利用FAST模拟结构的动力特性,研究TMD对海上浮式风力机平台运动特性、塔顶位移以及塔架根部载荷的控制效果。此外,基于遗传算法对TMD结构参数进行优化,并比较了在无控制、无优化TMD控制以及优化TMD控制下浮式风力机的运动响应。基于实测海况数据,对优化后的TMD进行了合理性与可靠性验证。结果表明:相较于无优化TMD,优化后的TMD对浮式风力机横摇、塔顶侧向位移以及塔架根部侧向载荷控制效果更加明显;优化后TMD可以适用于大部分海况,能够很好地控制高频区间时运动响应的幅度,并且随着海况等级的提高,对浮式风力机运动响应控制效果更加明显。结果表明了TMD控制方法与优化算法的可靠性与优越性。 展开更多

关键词 海上风电场 FAST 浮式风力机 动力响应 调谐阻尼质量器

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考虑连接段厚度影响的风力机组合塔架优化设计 被引量：1

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作者 郭兴文 姚皓译 +2 位作者 蔡新 张远 张洪建 《新能源进展》 2022年第2期146-152,共7页

钢−混组合塔架是低风速地区风力机支撑结构的主要型式之一,连接段对结构的性能有重要影响,组合塔架结构设计直接影响风力机的安全与建设成本。为改善塔架的结构性能以及降低塔架造价,构建了以各塔段外径、壁厚、连接段厚度和混凝土段高... 钢−混组合塔架是低风速地区风力机支撑结构的主要型式之一,连接段对结构的性能有重要影响,组合塔架结构设计直接影响风力机的安全与建设成本。为改善塔架的结构性能以及降低塔架造价,构建了以各塔段外径、壁厚、连接段厚度和混凝土段高度等关键几何尺寸为设计变量,以塔架的固有频率、应力、位移和稳定性等关键性态指标为约束条件,以塔架成本为目标函数的优化设计数学模型。利用模型对某3 MW风力机组合塔架进行优化设计。结果表明:优化方案的塔架总成本减少了15.7%,塔架的整体结构性能得到一定改善;混凝土段高度为塔架总高度的62%时总成本最低;考虑连接段厚度的优化模型能有效调整连接段的受力性能,有利于提高塔架整体优化的效果。考虑组合塔架连接段厚度的优化设计可为同类塔架的设计提供参考。 展开更多

关键词 风力机 组合塔架 连接段 优化设计 有限元分析

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基于锥角控制的下风向风力机功率调节策略 被引量：3

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作者 许波峰 石腾 +3 位作者 李振 肖航 马远卓 蔡新 《东南大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第3期747-753,共7页

针对中小型下风向风力机开展了功率调节策略研究.首先,对100 W下风向风力机进行了仿真计算和风洞实验,探究了下风向风力机的气动性能;然后,分析了风轮锥角对风力机输出功率和叶根载荷的影响机制,归纳出输出功率与锥角余弦值的三次方正相... 针对中小型下风向风力机开展了功率调节策略研究.首先,对100 W下风向风力机进行了仿真计算和风洞实验,探究了下风向风力机的气动性能;然后,分析了风轮锥角对风力机输出功率和叶根载荷的影响机制,归纳出输出功率与锥角余弦值的三次方正相关,叶根载荷与锥角余弦值的平方正相关;最后,形成了一套基于锥角控制的下风向风力机功率主/被动调节策略.研究结果表明:采用主动调节策略可在超额定风速运行时有效控制风轮输出功率,并可使叶根载荷极值降低14.2%;较控制前,采用被动调节策略可使得在超额定风速运行时,输出功率与额定功率的平均偏差减小20.84 W.两种调节策略皆可实现超额定风速运行时下风向风力机输出功率的有效控制. 展开更多

关键词 下风向风力机 气动性能 风轮锥角 功率调节 风洞实验

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基于力电耦合模拟的压电悬臂板波激振动获能研究

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作者 郭兴文 周赞 +1 位作者 顾水涛 信志强 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2022年第13期160-171,共12页

采用数值模拟的方法,研究了压电悬臂板在线性深水波激发下的振动获能机理。首先运用数值波浪水槽计算出了三维压电悬臂板所受的波浪时程荷载,然后采用力电耦合模拟的方法,研究了板的振动规律和不同粘贴位置压电材料的输出电压,该力电耦... 采用数值模拟的方法,研究了压电悬臂板在线性深水波激发下的振动获能机理。首先运用数值波浪水槽计算出了三维压电悬臂板所受的波浪时程荷载,然后采用力电耦合模拟的方法,研究了板的振动规律和不同粘贴位置压电材料的输出电压,该力电耦合模拟方法考虑了压电材料的贴合和压电材料的压电效应对压电悬臂板振动的影响。通过对不同物理参数下压电悬臂板振动获能机制的计算分析,得出了对板振动和获能的关键影响因素以及提高获能效率的通用方法,揭示了波浪运动与振动获能的关系。 展开更多

关键词 数值波浪 波激振动 压电悬臂板 振动获能

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浮式风机半潜式平台动力响应研究 被引量：12

9

作者 张洪建 蔡新 许波峰 《可再生能源》 CAS CSCD 北大核心 2021年第9期1210-1216,共7页

浮式风机已成为开发海上风能的新趋势。文章基于OC4-DeepCwind半潜式平台,设计了一种具有倾斜立柱的新型半潜式平台,并根据势流理论对上述两种平台的水动力性能进行了频域与时域的对比分析及可靠性验证。同时研究了缆索数量、缆索连接... 浮式风机已成为开发海上风能的新趋势。文章基于OC4-DeepCwind半潜式平台,设计了一种具有倾斜立柱的新型半潜式平台,并根据势流理论对上述两种平台的水动力性能进行了频域与时域的对比分析及可靠性验证。同时研究了缆索数量、缆索连接点高度与锚固点位置对平台运动响应的影响,提出了一种优化系泊系统的新平台。研究结果表明:新平台的质量与排水体积大大降低;新平台纵荡、垂荡与纵摇RAO峰值明显减小,垂荡固有周期增加,能有效防止共振现象发生;新平台的垂荡与纵摇明显降低,纵荡的改变较小;与原有系泊系统相比,优化后系泊系统的纵荡运动响应与缆索张力明显下降。 展开更多

关键词 浮式平台 系泊系统 时频域分析 运动响应

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风剪切对风力机叶片气动性能及尾迹形状的影响 被引量：5

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作者 许波峰 朱紫璇 +3 位作者 戴成军 蔡新 王同光 赵振宙 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第2期362-372,I0001,共12页

风力机通常运行在非定常工况中,其气动性能及尾迹会随着工况的变化而变化.风剪切是风力机长期所处的环境,它会影响到叶片气动载荷、尾迹形状、总体性能等,分析风剪切作用下的叶片气动性能对风力机的设计有重要意义.本文采用一种时间步... 风力机通常运行在非定常工况中,其气动性能及尾迹会随着工况的变化而变化.风剪切是风力机长期所处的环境,它会影响到叶片气动载荷、尾迹形状、总体性能等,分析风剪切作用下的叶片气动性能对风力机的设计有重要意义.本文采用一种时间步进自由涡尾迹(free vortex wake,FVW)方法,耦合FVW方法与风剪切模型,计算不同风剪切因子作用下叶片的气动力系数、推力以及风轮后的尾迹形状变化,研究尾迹形状变化对风轮旋转平面诱导速度及风力机叶片气动性能的影响.结果表明:在风剪切入流条件下,随着风剪切因子的增大,风力机的气动力系数随时间做周期性波动的幅度加剧,推力的平均值逐渐减小,尾迹倾斜程度增大,尾迹在轮毂下方的倾斜程度更明显;尾迹形状的变化使风轮平面轴向诱导速度因子分布不均匀,同时使风力机的总体性能降低且偏离较大;倾斜尾迹相比于对称尾迹对风轮平面处的诱导影响有明显差别,波动幅值增大,气动力系数在波谷处的偏差比波峰处大.尾迹越倾斜,风轮旋转平面处的载荷不对称性越明显. 展开更多

关键词 风力机 风剪切 自由涡尾迹 气动性能 尾迹

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基于Ansys与nCode联合仿真的风力机叶片疲劳分析 被引量：14

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作者 蔡新 常鹏举 +1 位作者 郭兴文 林世发 《可再生能源》 CAS CSCD 北大核心 2021年第10期1342-1346,共5页

为了研究风力机叶片疲劳破坏问题,文章建立了某1.5 MW商用叶片模型,通过Ansys与nCode软件联合仿真,对其进行了疲劳寿命分析。为进一步研究叶片疲劳损伤规律,对叶片在各个疲劳载荷工况下的损伤进行了分析,结果表明:疲劳损伤主要位于叶根... 为了研究风力机叶片疲劳破坏问题,文章建立了某1.5 MW商用叶片模型,通过Ansys与nCode软件联合仿真,对其进行了疲劳寿命分析。为进一步研究叶片疲劳损伤规律,对叶片在各个疲劳载荷工况下的损伤进行了分析,结果表明:疲劳损伤主要位于叶根前缘和前缘与主梁连接处,并且主要出现在风速较大、发生次数较多、纵向湍流强度较强的工况;叶片总体疲劳寿命约为24.5 a,满足疲劳强度设计要求。 展开更多

关键词 风力机叶片 有限元分析 nCode S-N曲线 疲劳寿命

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不同倾斜角叶尖小翼水平轴风力机气动性能 被引量：8

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作者 蔡新 林世发 +1 位作者 胡莉 郭兴文 《河海大学学报（自然科学版）》 CAS CSCD 北大核心 2020年第5期460-466,共7页

为研究不同倾斜角的叶尖小翼对叶片气动性能的影响,设计了5种不同倾斜角的叶尖小翼,并采用结构化网格技术与CFD数值计算方法对比分析其气动性能。研究结果表明:与原始风力机相比,5种不同小翼对风力机输出功率及风能利用率均明显提升,最... 为研究不同倾斜角的叶尖小翼对叶片气动性能的影响,设计了5种不同倾斜角的叶尖小翼,并采用结构化网格技术与CFD数值计算方法对比分析其气动性能。研究结果表明:与原始风力机相比,5种不同小翼对风力机输出功率及风能利用率均明显提升,最大输出功率增长16.73%,风能利用率增长4.41%;倾斜角较大的叶尖小翼能更多地增大叶片的上、下翼面压差,且翼根弯矩更小;大倾斜角小翼能明显改善叶尖绕流,打散叶尖拽拖强涡量,降低叶尖能耗损失。 展开更多

关键词 水平轴风力机 叶尖小翼 小翼倾斜角 气动性能 CFD数值计算

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大型下风向柔性叶片参数化建模及两目标优化设计 被引量：1

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作者 许波峰 李振 +3 位作者 朱紫璇 蔡新 王同光 赵振宙 《太阳能学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第3期147-154,共8页

为了应对超大型风力机的发展对叶片带来的挑战,利用叶片多目标设计方法重点研究大型下风向柔性叶片气动与结构参数的优化设计。构建叶片弦长、扭角和挥舞刚度参数模型,以下风向布局的NREL 5 MW风力机叶片为优化对象,基于快速非支配排序... 为了应对超大型风力机的发展对叶片带来的挑战,利用叶片多目标设计方法重点研究大型下风向柔性叶片气动与结构参数的优化设计。构建叶片弦长、扭角和挥舞刚度参数模型,以下风向布局的NREL 5 MW风力机叶片为优化对象,基于快速非支配排序遗传算法开展单机年发电量最大和叶根挥舞弯矩最小的两目标下风向叶片优化设计,得到符合预期的Pareto最优解集。取解集中3套具有代表性的最优解进行分析,由于下风向离心力矩可抵消一部分挥舞弯矩,所以叶根挥舞弯矩均有大幅降低,其中A叶片以牺牲0.963%年发电量的代价,使其叶根挥舞弯矩和叶片挥舞刚度分别减小7.951%和27.071%,可实现大型下风向柔性风轮的轻量化优化设计。以选取的3套叶片为基础,分析弦长、扭角、挥舞刚度对优化目标的影响机制,发现叶片挥舞刚度参数对两优化目标的影响最大。 展开更多

关键词 风力机叶片 优化设计 遗传算法 参数化建模 下风向

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折叠式H型垂直轴风力机设计与分析

14

作者 戴成军 许波峰 +3 位作者 汪亚洲 王海良 林世发 蔡新 《可再生能源》 CAS CSCD 北大核心 2021年第5期637-642,共6页

轻便的风力机可以在野外环境下满足人们活动和生存的电源需求。文章针对便携可折叠需求,提出了一种便携折叠式H型垂直轴风力机。对风力机风轮参数和折叠机构进行了设计,采用双致动盘多流管模型对比分析了采用不同翼型的叶片气动性能,确... 轻便的风力机可以在野外环境下满足人们活动和生存的电源需求。文章针对便携可折叠需求,提出了一种便携折叠式H型垂直轴风力机。对风力机风轮参数和折叠机构进行了设计,采用双致动盘多流管模型对比分析了采用不同翼型的叶片气动性能,确定较优翼型。运用双致动盘多流管模型算法计算叶片的极限载荷,求解采用不同材料时叶片的重量,寻求适合便携式风力机叶片的材料。对极限载荷作用下的折叠机构连接杆进行静力学分析,保证风力机结构的设计安全性。静力学分析结果表明:采用NACA0018翼型的叶片气动性能更优;材料选择PEEK ST45CA30时,叶片重量最轻;在极限载荷作用下,设计的折叠机构连接杆满足安全要求。 展开更多

关键词 垂直轴风力机 折叠 结构设计 气动性能 强度分析

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