文摘

流体和结构之间的相互作用的动态系统是一个耦合机器操作的重要主题。是不不同的风力涡轮机,尤其是multi-MW涡轮机的耦合增强更大的和灵活的叶片和复杂的控制方法,以及其他非线性,更全面的空气弹性变形的工具将被要求调查现实的现象。本文将概述风力发电机的空气弹性变形的工具,努力完成,缺口,未来的发展方向。一开始这个话题的背景,提出一个案例研究演示固耦合的影响考虑NREL 5 mw刀片和一个简短的比较的几个空气弹性变形的代码。等前沿努力完成在该地区复杂的流入,几何非线性的影响,和其他稳定和智能控制问题解决和总结阐述空气弹性的差距和未来方向的风力涡轮机。

1。背景

风能是新兴主流竞争和可靠的电力技术,和重要的预测(如[1- - - - - -3])透露,进步将继续强劲。到目前为止设计的风力涡轮机的趋势是不再(参考图1转子)和更灵活的叶片,智能控制、和海上应用程序。早期设计负载风力涡轮机进行评估在静态空气动力计算的基础,与结构动态忽略或包括通过使用估计动态放大因子。这种升级趋势要求更全面的工具来研究复杂的气动和结构之间的耦合动态megascale风力涡轮机、空气弹性。本文将审查的趋势可用气动弹性研究风力发电机和空气弹性变形的代码和工具,当前和未来的研究方向和差异将被处理。

审查被认为是原始研究的文章数量,审查论文,总结报告、工程竣工报告,手册,和其他人,彻底分析了在准备这份报告。在下一节中,空气弹性变形的建模的基础将讨论风力涡轮机,包括气动、结构动态,及其耦合。

2。空气弹性

虽然空气弹性的概念可以追溯到1947年由a。r .衣领,风力涡轮机的设计和分析中的应用开始直到1976年,弗里德曼(4)派生的一组耦合为单个叶片flap-lag-torsional运动方程。在接下来的几年里取得了重大的进化(5- - - - - -8]。空气弹性研究惯性之间的耦合效应,弹性,和空气动力的发生作为弹性体接触流体流动。研究增强的范围包括其他相关现象,比如水动力对近海风力涡轮机、热效果,或控制行动,一个必须扩展这个话题hydroaeroelasticity, aerothermoelasticity,或aeroservoelasticity,分别。参见图2领的三角形。

模型和模拟风力发电机的空气弹性,有几种空气弹性变形的工具和方法,大致包括气动组件来确定风荷载和结构部分来计算结构的动力响应,随着时间的推移,历史和空间分布的风作为输入,数字3。

在下面几节中,空气动力学和结构动态组件的风力发电机空气弹性将阐述,包括方法模型对应的现象。

2.1。空气动力学

气动气动弹性分析有权确定空气动力负载的一部分开发由于逆风风力涡轮叶片的流模式取向。人们提出了不同的模型和方法,如叶片非常普遍和流行元素动力方法,升力线、面板和涡模型,广义执行机构圆盘模型,和基于纳维斯托克斯的解决者;每个理论具有优缺点。在本节中,简要讨论将包括常见的空气动力学方法。

2.1.1。叶片元素动力(BEM)方法

本也称为带理论最初是由Glauert [9];计算快速和廉价,提供可靠的轴流式数据可用,它会给出令人满意的结果。这是一个简单的组合动力理论和叶片元素理论(10),假设没有沿着转子气动所有部分之间的交互,可以单独处理,这意味着没有径向流。参考数据4和5。

叶片上的力量决定完全由机翼的升力和阻力特性叶片的形状,它被认为是不可压缩流动稳定状态。随后,结合两个表达式为推力/正常的力和转矩从动量理论和叶片元素理论,本将派生。经过一些代数运算,生成的关系将是(1)- (2)) 考虑湍流,推力系数可以表示与Glauert校正 在哪里升力系数,普朗特的提示损失校正因子,是相对气流角,是当地的速度比,是当地的叶片坚固,径向和轴向诱导因子,分别推力系数,Glauert校正系数。

也许在这一点上我们可以看到经典BEM理论假定准静态/稳定的流动状态,但调查风力涡轮机的非定常气动效应,包括额外的模型如动态后/流入、偏航/倾斜模型和动态失速。

动态的流入。背后有一个时间延迟后转子保持稳态条件干扰后突然改变等螺旋角,转子,和/或风速,这种现象被称为动态入流。由于速度场的矢量和自由流速度和诱导速度,动态流入代表了后一个。典型的例子可以从Tjaerborge机明显结果呈现在图6(从[复制7])。突然改变的螺旋角从0到3.7度= 2 s,转子轴转矩下降,从250年到150年kNm和需要大约10年代定居到新的平衡状态。因此动态入流模型需要谓词这样一个延迟。

根据焦耳1项目,做了调查的影响动态流入工程和实现方法(11- - - - - -16]。最精确的模型来表示动态后非定常涡尾流模型,但计算的缺点,使其更有利于工程应用,之后Snel和斯奇11]谁制定了六个不同的工程模型来确定动态流入现象的影响。锗硅Øye提出的这些方法之一是诱导速度的滤波器组成的两个一阶微分方程(指汉森等(7]详情)。减轻现有的数值需求模型,(17)提出了一个简化的模型,是一种近似建模的动态流入。方法是将领先-落后过滤器后转子扭矩和推力计算从静态表的权力和推力系数。过滤常数将随平均风速。

动态失速。这是一个快速的空气动力学变化可能带来或推迟拖延行为。由于塔的影子,偏航或倾斜,风切变,和/或湍流风条件,后缘的边界开始单独与角度的增加,并逐渐上游移动攻击,也就是说,动态失速。动态失速的影响发生在时间延迟和弦划分与相对速度成正比的叶片部分。这种现象导致高度瞬态力,结果(18- - - - - -20.)也显示动态失速的显著影响,更专门为不稳定的问题。各种动态失速模型已经开发了如Gormont和Beddoes-Leishman模型(7,10,20.]。考虑风力叶片非定常负荷和负面影响涡轮的性能和疲劳寿命,引入动态失速控制方法是必要的。可以主动控制(控制方法21)或被动控制(如流向涡发电机,由漩涡生成动用了一个升降线,和一个腔作为储层的反向流积累)。这些控制方法显示显著延迟的动态失速的发生数度和减少升力和阻力增加部队(22]。

偏航/倾斜模型。在转子法向量之间的错位和传入的风,偏航/倾斜模型将重新分配的诱导速度,诱导速度较高时刀片定位后深比当它指向上游。Glauert提出了偏航/倾斜模型和更详细的讨论都包含在14,15]。汉森et al。7还讨论了一个偏航/倾斜模型改编自直升机文献。偏航/标题模式的典型特征是包括偏差的影响通过增加和减少下游和上游的诱导速度转子盘的一部分,分别。

2.1.2。3 d非粘性的空气动力学模型

这些模型开发获得更多的详细描述三维流开发风力发电机,与粘滞效应被忽视。除了成熟应用工程工具,这些模型提供更好的理解动态流入效应和整体流开发(7,14- - - - - -16]。包括粘性效应几次了,使用viscous-inviscid交互技术(7]。详细讨论3 d非粘性的模型如升力线、面板和涡模型可以在找到7)和潜在的应用和挑战。

2.1.3。基于CFD模型

CFD应用程序从航空工业发展有潜力解决流动,缓解他们的限制,使用非定常欧拉动力学出现。随着计算能力的增长,充分雷诺平均纳维斯托克斯方程的应用程序包括申请直升机旋翼计算粘性影响,后来的全部纳维斯托克斯计算风力涡轮机转子空气动力学,据报道(7]。

NS解决最初的开发航空代码解压缩的NS方程,用于高速空气动力学在亚音速和跨音速的政权;显然这种性质的代码为风力涡轮机应用程序不兼容,因为低马赫数叶片的根部。方法不可压缩流动限制,很难解决可压缩流动方程。两个已经提出补救措施(7]:第一个是预处理系统的特征值变化的可压缩流自左乘方程的时间导数矩阵。的其他方法是人工压缩性方法介绍了人造声音速度允许标准的可压缩解决方案方法和方案适用于不可压缩流。这种方法有很多优点,如易于实现重叠网格的可压缩编码,执行的主要限制是问题不可压缩性在瞬态计算不需要大量的subiterations和确定最优人工压缩性参数的问题。该方法适合解决几乎不可压缩问题经常有经验与风能。与稳态问题,当地时间步进方法可以加速使用,而使用全局时间步进方法仍然是适合瞬态计算。

2.2。结构动力学

气动弹性模型的结构组成部分将决定系统的动态响应的气动载荷同时交易结果与气动组件。最早从事风力发电机的动态建模是(4),这是一个叶片的运动方程,假定作为弹性梁根被固定在中心和提示是免费的。应用哈密顿原理和牛顿法、二阶方程有效的动作,长,纤细,直,均匀,各向同性横梁进行适度位移是由(23]。这些方程也验证了光束特性,最后方程包括不同非线性结构和惯性条款影响无铰旋翼叶片的气动弹性稳定性和响应。在扩展以前的工作,24]提供一套新的偏微分方程的运动风涡轮叶片旋转的重力场变量转子速度和行动。汉森et al。7)使用两种常用的方法(虚功原理和模态形状函数和非线性梁理论与有限元)制定风力发电机的动态结构模型。在风力涡轮机的灵活性和长度增加,经典梁理论模型的功能结构动态是不够的,相反,利用更多的非线性梁理论假设是要求较小。

除了梁理论(线性或非线性)和元素(shell或梁元素),有三种常见的离散化方法,模型的结构动态与风力涡轮机,即模态方法,减少多体动力学(MBD)和有限元方法(FEM)。

有限元方法。它可获得风力涡轮机系统有限元素作为弯曲梁,集总质量,弹簧,和关节。更少的限制的方法有优势的类型配置考虑几何和材料非线性等;显然这将导致一个高自由度将导致高成本计算努力扩展。

模态的方法。在这个方法的偏转组件(叶片、塔,和支持结构叠加一些身体上的现实模型的线性组合,通常最低的固有模式,如1日和2日flapwise和沿边模式。叶片和塔的偏转是加上一个低数量的规定离散自由度。在其计算效率与这种方法有各种限制,如固定数量和类型的自由度,线性的假设,和不足处理某些类型的结构。

MBD的方法。在这个方法来近似结构有限数量的元素组成的刚性和柔性体耦合的弹性关节。这种离散系统使用有限数目的常微分方程来描述。这种方法结合了上面两种方法的优点,因为它需要相对较少的运动方程和非线性。此外,该模型对有效非线性动力学有限元法相比,允许建模与大挠度和大型旋转机械系统。

2.3。流固耦合

空气弹性变形的建模是流固耦合的最后阶段,反应在每个模型(气动力和结构变形)映射到另一个。在经典空气弹性变形的方法,流体与结构相互作用是单独治疗和非耦合,忽略了互动(5]。随着计算能力的提高,几种集成方法开发包括固有的流固耦合。增加的保真度要求分析包括明确的细节,如湍流(25),非线性复合层状叶片和大变形26),强流固耦合的应用是必要的。然而,恰恰相反,计算效率与精度小妥协也是耦合的另一条路线,要求,如引入降阶模型(27]。空气弹性变形的工具的选择取决于应用程序重点区域或操作条件研究,精度要求,成本,时间,和计算资源可用,理解在其他每个工具的局限性和优势是至关重要的。一些在这方面作比较,提出(26,28,29日];在下面的部分中一个简单案例研究将比较——和双向流固耦合。

案例研究:FSI NREL 5兆瓦的风力涡轮机叶片底线。在接下来的几个段落,来演示耦合的选择的影响,一个简单的案例研究将讨论考虑uni -和双向流固耦合半周期操作的叶片,2.5秒。目标的风力涡轮机叶片NREL 5 61.5 mw风力涡轮叶片与基线长度和半径1.5中心;机翼和和弦分布是基于[30.,31日)与一些小修改提示和根部分,图7。前沿的材料分布,根,后缘,小费,梁帽设置ep - lt - 5500 / ep复合材料;晶石的网Saertex / ep -合成的。进行ANSYS模拟,即流体流动的ANSYS流利和ANSYS机械结构模型;其它仿真参数包括在表中1。对于单向耦合,采用ANSYS系统耦合特性。

计算域是有限的,转子的1/3,以减少计算工作;定期与120度的间隔将边界,如图8,包括流求解器和元素元素结构解决。

基于单向和双向耦合,仿真的叶片,速度,压力,和尖挠度检查,如图9- - - - - -11。

比较结果,可以证明两联轴器之间的显著差异;特别是双向耦合模拟产生最大提示偏转时12.662米和11.174米的单向耦合;此外,单向耦合的等效应力和挠度保持不变后有些变化,与其同行相比仍明显改变,暗示阻尼作用。完成,虽然有大量的计算所需的工作流体和结构之间的强耦合,模拟风力涡轮机的全部空气弹性特性与适当的忠诚程度的应用更强的耦合是不可思议的。

3所示。气动弹性编码了风力涡轮机

各种编码可用于模型、设计和模拟风力发电机的空气弹性变形的特点;参考表2。等空气弹性变形的建模代码验证和文献[32- - - - - -41)进行了综述。海上风力涡轮机有兴趣的读者Passon和库恩(39)审查代码适合这样的应用程序。

除了表中所示的代码2,一些商业和学术机构开发了各种各样的空气弹性变形的代码,如重点产品工程、鹳方式实验室加罗语aerodyn-Energiesysteme GmbH, Cp-Lambda在米兰理工大学42在西门子风电,BHawC (43),和一些通用程序ANSYS等有限元分析,和SOLVIA插件包,cosimulation,或子例程程序可以使用风力发电机的空气弹性工作。

4所示。前沿趋势和差异

当前能源市场需求高效、成本有效,可靠的来源,随着风力涡轮机的发展更大,更灵活的设计(特别是扭转),复杂的控制,是固有的。耦合的现象及其非线性特性是不断升级的挑战;缓解这样的挑战做了研究和工具,制定本办法。在本节中努力改善和研究风力发电机系统的气动弹性特性将审查。评审分为四个主要领域是复杂的流入,几何非线性和大叶偏转,气动弹性稳定性,和智能控制。

4.1。复杂的流入

复杂地形将导致极端风切变和湍流强度高,和交互与大型叶片和塔将导致变异诱导风流的叶片方位位置的函数。因此,很明显,我们需要可靠的工具地图的能源生产和负荷预计将提高成本维修和部件的疲劳寿命。之后它被该行业感兴趣的领域之一。

以下4.4.1。风切变

欧洲逆风[44,45)项目执行三维CFD计算转子使用EllipSys3D纳维斯托克斯解决提供新的见解对转子在剪切操作,目的是改善工程模型。结果包括转子负载的方位变化,流入速度,后行为下游,上游流的扰动由于转子加载。

4.1.2。塔影效应

随着叶片通过塔的压力使他们将被削弱,即时电力生产和空气动力负载,创建循环脉冲转子上的负载。一般来说,塔干扰可以建模为风速计阅读(46],CFD模拟[47,48),或用势流方法49]。戈麦斯和Seume47)评估了循环荷载变化由于塔干扰和本的结果采用正确的预测。几个调查了评估他们的忠诚与50)模拟风力涡轮机转子与风切变和塔交互,利用CFD模型,结果显示该模型低估的影响相比,本;(46]也延长了工作为各种风力涡轮机的概念。Zhang et al。49,51)也提出了一个三维势流模型为本塔的干扰。随着风切变和塔影效应是重要的电力生产以及转子的负荷,改善目前的预计模型和新方法。

4.1.3。后操作

风力涡轮机在农场将暴露在逆风操作之后,需要更好的建模工具来开发更好的控制算法用于减少负载。各种后模型可根据所需的保真度和应用和努力和计算资源可用。模型的传统方法后操作是一个等效的方法(52];也就是说,它考虑了之后通过增加有效湍流强度。它是基于假设所有负载生成机制导致增加负载后操作可以合并成一个等效的价值增加的湍流强度和包含在IEC6400-1风力发电机安全标准(53]。极端的反应在操作过程中这种方法的成功极大地取决于导致极端的物理机制;如果物理机制创建增加负载后操作不同于湍流强度增加,由此产生的极端可能是错误的(54]。其他后模型(从低到高忠诚,resp)实证模型(例如,公园模式55,56]),线性化运行模式(例如,涡粘性模型(57)和日产风雅模型(58,59]),概率和共轭方法(例如,动态后蜿蜒[60,61年)和随机模型)、非线性跑模型(例如,关闭磁盘驱动器,线,和完全解决),大涡模拟模型(例如,动态Smagorinsky磁盘驱动器,线),和涡方法(62年]。功率预测和年度能源生产工具需要稳定和后定模型,而负荷计算需要时间和不稳定准确,和控制战略稳定和不稳定都将被应用。动态后蜿蜒的模型是更详细的模型考虑后(即横向和纵向动力学。后蜿蜒)。Thomsen et al。54]相比风力涡轮机的负荷响应后操作使用等价的动荡和醒后蜿蜒的方法和显示模型认为具有显著的影响,极端负荷在正常操作。奥特et al。58考虑三个闭包”简单的闭包”使用一个镇定的涡流粘度,关闭混合长度,E-ɛ关闭。与风电场数据,比较“简单关闭“显示令人满意的协议,而混合长度和关闭E-ɛ分别关闭下,高估了;和附近后所有模型失败。Bastankhah和Porte-Agel63年)提出了一种新的解析模型风力涡轮机醒来。这个模型只需要一个参数来确定后的速度分布。和高分辨率测量风洞和莱斯结果表明,获得的速度概要文件与该模型都在可接受的协议。

有不同的基准测试和验证研究尾流模型等(54,61年,64年- - - - - -67年]。虽然这些模型开发之后,仍有差距,主题包括建模wake-wake交互,wake-terrain互动,和理解大气稳定和非均匀地形的影响,进一步评估这些模型使用偏航控制(68年与全三维CFD模型)和集成。

4.2。几何非线性和大叶偏转

叶片更长和更灵活的机械性能的高强度和杨氏模量(即相对较低。,降低刚度)将显著变形。因此,很明显,包括其效果在风力涡轮机的分析,对结构的整体效率产生影响,包括气动弹性稳定性(69年- - - - - -72年]。大多数现有的商业代码使用简单的线性结构模型,这可能不足以考虑大变形。因此有必要了解各种非线性相互作用,彻底和开发一个风力涡轮叶片几何非线性分析方法。不同的方法已经被用来处理大挠度问题,如椭圆积分公式,数值积分和迭代的射击技术,增量有限元法,增量有限差分方法,加权残值法(MWR)和微扰法73年- - - - - -77年]。

拉森et al。72年)合并三种非线性方法来评估包括大挠度的影响。结果显示包括大挠度的影响将减少有效转子面积导致输出功率减少在低风速和螺旋角设置在高风速的变化导致更高的flapwise意味着负载级别。相反没有主要区别关于疲劳载荷水平可以从负载模拟获得。结构行为,拍打频率的增加被认为是一个函数的偏转而扁频率似乎保持不变。Kallesøe [70年)研究了叶片变形对颤振边界的影响,通过比较自然的未变形的叶片的气动弹性运动模式predeformed叶片。理论分析显示“未变形的叶片的颤振不稳定被推迟到更高的转速,另一方面将出现一个新的溃败颤振不稳定,有较低的稳定边界的原始未变形的叶片的颤振边界”这意味着大型叶片偏转的显著影响。扁弯曲扭转耦合对颤振的影响限制风力涡轮机的调查(69年,71年由[]使用空气弹性变形的模式建议78年),表示略有减少由于叶片颤振限制转子速度偏转。

元,陈(76年)提出了一种可变步变形差分法(VSDDM)分析非线性叶片结构。根据(76年),温和的大挠度问题的一个近似挠度方程由悬臂梁大挠度微分方程(3使用牛顿二项式定理)。这个方法具有不同的概念的优点,易于理解,快速收敛速度,简化程序。分析基于此方法进行了200千瓦风力涡轮机叶片受到极端的风。结果显示,VSDDM提供了叶尖偏转的准确预测和有效解决此类nonprismatic悬臂梁与变刚度和大挠度和承受复杂载荷。 除了几何非线性、材料非线性的影响是值得考虑的79年]。大挠度非线性效应对电力生产有很大影响,加载,并稳定;更全面的研究主题和包括这些非线性效应预计到空气弹性变形的代码。

4.3。气动弹性稳定性

在风力发电机,可以pitch-flap颤振不稳定,摊位诱发不稳定、转子轴旋转,aeromechanical不稳定,和/或水动力相互作用带来的洋流和表面波从海上风力涡轮机。稳定是维塔设计约束的风力涡轮机,出生和Jonkman [80年)指出,未来可能stability-driven相比loads-driven设计。

4.3.1。扁不稳定

虽然从失速调节转向节距控制将大大避免拖延相关不稳定在操作过程中,由于对沿边固有的低气动阻尼模型,扁不稳定性仍然是一个关键问题。扁不稳定性的实验证据已经在年代中期失速调节转子直径35 - 40米。汉森et al。7详细说明了主题和解释了早期的努力完成;典型的例子在稳定性分析与线性稳定工具包括HAWCStab阐述风力涡轮机的扁不稳定。

Lindenburg和Snel81年]指出扁叶片振动不稳定的原因,那么结构阻尼由于碳纤维的应用,更多的UD(单向)层,真空生产技术,和平滑过渡airfoil-sections叶根,相对较小的和弦和高频矩下降斜率关系在满载的发电机。

EC焦耳III项目的一部分(82年用客观的提高预测能力在失速动态载荷和失速诱导振动和建立指导方针来实现安全裕度对失速诱发振动是一个早期的努力在1995年到1998年之间完成的。在与暴力扁叶片振动的影响相反,汤姆森et al。83年制定一个实验方法来确定有效阻尼扁形状的风力涡轮机叶片模式。拉斯穆森et al。84年)使用动态失速模型来分析和繁殖露天桨叶截面测量以及风洞测量。风洞实验的结果显示,气动阻尼特性对失速诱导振动高度取决于翼flapwise和沿边的相对运动方向和可能耦合的音高变化,这是由叶片的结构特点决定的。Chaviaropoulos [85年)也使用微分动态失速模型和线性化运动方程探讨联合皮瓣旋翼/机体运动特点。在扩展86年)进行了分析,指出这些模型提供了重要的知识在定性层面还显著的不确定性量化级别。

欧洲项目VISCEL(2003, 2004)认为的稳定特征典型的部分使用一个不稳定的纳维斯托克斯治疗的空气动力学81年,87年];另一个欧洲项目DAMPBLADE(2003)做了一步全剖面的刀片。随后,几个研究风力发电机空气弹性变形的不稳定已经进行了包括STABCON [81年,88年),实验数据旨在使用不同的方法。在接下来的几年里,几个发明记录等(89年,90年],它开发了一个主动失速控制阻尼扁振荡的方法在一个或多个风力涡轮机的叶片。这种方法是首先检测如果表示一个或多个刀片扁在操作说风力涡轮机和大幅振荡周期产生的至少两个螺旋角不同叶片说。

4.3.2。Pitch-Flap颤振不稳定

它是一个动态的不稳定造成的身体之间的正反馈的偏转和气动力。虽然这种类型的空气弹性变形的不稳定是一个婴儿在商业风力涡轮机到目前为止,然而随着叶片的大小增加,颤振速度降低由于增加叶片结构的灵活性,尤其是扭转频率降低。这是一个聪明的方法包括一个颤振速度计算在设计验证。叶片的颤振涉及两个自由度:扭力和翻译。颤振速度降低时这两个自由度的频率接近彼此。其他设计参数对颤振失稳是重心在刀刃部分相对于弹性轴的中心。随着重心从弹性轴的方向后缘,颤振速度降低(7]。

在[91年)频域技术由Theodorsen适应调查MW-size叶片的气动弹性稳定性和气动弹性剪裁。结果表明,预测MW-sized叶片的颤振速度略大于转子运行速度的两倍。当适量添加到叶片气动弹性剪裁是一个谦逊的减少(12%),颤振速度观测。

4.4。智能旋翼和控制

4.1.1。有功负载控制装置

由于复杂的流入和湍流及其动态特性的风力涡轮机叶片疲劳载荷。几种负荷控制方法可以用来修改这些叶片的空气动力特性和流动状态,通过扩展空气动力。有三个主要类别的有功负载控制技术,(i)表面吹/吸,(ii) VG的表面加热、等离子体,等等,或者(3)截面形状的变化(副翼、智能材料以及microtabs)图12。

彻底的早期进展综述了主题(92年- - - - - -94年]。在气动载荷控制方法(即比较。,deformable flap, microtabs, camber control or morphed trailing edge, active twist, boundary layer suction/blowing, synthetic jets, active vortex generator, and plasma actuator) in terms of lift controllability is done by [94年),结果表明,机翼后缘襟翼,翘起控制和microtabs有很好的平均和最大升力控制能力。后缘襟翼控制是证明是最有效的控制方法。升力和阻力的变化特征以及线性、带宽,这些概念的简单性使得它吸引从控制的观点。其他方法也有一些独特的优点;microtabs简单性、带宽和小型驱动发电需要让它有吸引力,除了其开关的特点使他们详细的负荷控制效率较低;需要进一步调查使用。主动旋转控制是整个跨度的叶片旋转叶片轴。这种方法一般是可行的,但它是昂贵的,导致重转子,和消耗更多的能量,这将使它低效率的方法来减少疲劳载荷。

两个研究桑迪亚国家实验室(95年)使用Microtab概念报告20 - 32%降低叶根皮瓣弯矩;和[96年)为另一个过程,增加叶片和其他组件大小相同的叶根皮瓣基线转子的疲劳损伤演变入学后缘,报告增加11%能量捕获。智能旋翼配置采用线性二次控制提出了自适应边缘试用皮瓣(97年],它的性能评估是基于空气弹性变形的模拟一个基线NREL5MW风力涡轮机与襟翼扩展以及20%的跨度使用HAWC2代码。控制算法包括频率加权阻止皮瓣活动频率高于0.5赫兹,还使用周期性干扰信号所描述的简单的功能叶片方位位置确定周期加载的组件。

自适应机翼后缘襟翼控制的影响量化的一生疲劳损伤等效负荷减少,并记录10%叶根flapwise时刻减少,包括周期性负载预期,将改善结果13.8% d Sin-Cos配置和4.5%Wsp,图13。Zhang et al。98年)也研究智能负载控制的影响使用正边瓣NREL 5 mw和结果显示显著减少flapwise叶根弯矩。此外,智能负载控制改变的性质flow-blade交互和同相流固同步变成了弱耦合,由于流固阻尼增强。

10/24/11。智能材料驱动器

智能材料是材料具有的能力意识和动作控制的方式来响应变量环境刺激。智能负载控制执行机构组成了至关重要的作用。一般来说,有两种类型的驱动器作为嵌入式和离散。传统的负载控制执行机构(即。,hydraulic, pneumatic, and electrical actuators) are mostly used in existing wind turbine blade pitch and yaw control applications. However, their inherent demerits, including leakage problems and contamination, delay in actuation, regular maintenance requirement, reduced frequency range, and exhibiting certain instability, weight, space, and power requirement, limit them from active smart load control application.

主动控制的通用标准包括减少体重的贡献,实现所需的偏转,在感兴趣的频率范围内动态响应,线性驱动行为,高耐疲劳载荷,对氧化的不敏感和闪电,有限的退化或性能下降。智能材料包括铁电材料(压电、电致伸缩和磁致伸缩),变量流变学材料(电流变、磁流变)和形状记忆合金。虽然这些材料还没有商业化,一些研究表明其可行性;全面的讨论和比较了(94年]。

5。结束语

本文综述了风力发电机空气弹性及其趋势的科学。考虑市场竞争力和相关约束,设计趋势朝着multimegawatt驱动,大,和灵活的涡轮机,利用智能旋翼控制设备,更多的几何和材料非线性结构,和离岸和地形复杂的应用程序。相反这将改变空气弹性变形的特点和提高许多系统稳定性问题,将需求详细的方法来进一步优化模型和模拟系统输出。在前面几节中讨论了一些补救措施完成,和空白处理可以分为综合变形的工具的必要性,结合或混合解算器,和多学科优化。

(1)综合变形的工具。随着风力发电机系统复杂度的提高和耦合系统的数量增加,要求全面系统的空气弹性变形的工具来处理现实的模型是强制性的。这些需求包括(我)复杂的流入,包括风切变;(2)在海上应用水动力的影响;(3)由于大挠度非线性、几何和材料分布,及制造方法;(iv)智能旋翼和控制方法的应用及其耦合系统。

(2)耦合/混合解算器。计算效率和高保真输出是两个主要的妥协在计算研究。作为单一模型只允许实现的两个,因为他们拥有固有的限制,应用混合模型是精明的。在流体流动的研究中,混合LES /运行模型是一种常见的方法,如跑将被应用在墙壁和莱斯远场域的流。在风力发电机空气弹性变形的建模中的应用将推动莱斯和减少计算的准确性,因为工作,因为跑。同样,在结构建模混合模型可以应用有限元法和模态等减少的方法。

(3)多学科优化。大部分空气弹性变形的代码在风力涡轮机行业作为一个独立的设计工具,和他们的应用程序在风力发电机系统的多学科优化并不常见,在婴儿阶段。多学科风力涡轮机系统优化框架将识别可能的空气动力学、结构、控制、和其他子系统配置,生产成本最低的能量。这样的集成将避免常见的次优设计趋势和提高风能转换的竞争力。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是财务支持的中国政府奖学金。第一作者也要感谢武汉科技大学在研究过程中提供全面的援助。