Coupled Blade-Hub Dynamics in Large Horizontal-Axis Wind Turbines

大型水平轴风力发电机中的叶片-轮毂耦合动力学

基本信息

  • 批准号:
    1335177
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 26万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2013
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2013-08-15 至 2017-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The goal of this project is to deepen our understanding of the dynamics of horizontal-axis wind-turbine blades, and the loads that they impart to the gearbox and bearings, ultimately to provide guidelines for wind-turbine designers to develop turbines with significantly higher reliability. A wind-blade dynamic model involves effects of rotation, cyclic excitations due to gravity and steady wind shear (producing both parametric and direct excitation), aeroelasticity, and arbitrary wind-gust excitations. This work is focused on the resonances and instabilities associated with nearly identical wind blades coupled through the hub. Such symmetric arrangements are prone to vibration localization, which increases the vibration of a single blade. This project addresses these dynamics with fundamental modeling of the blades and hub, reduced-order modeling and perturbation analysis which yields the role of parameters and mechanisms underlying critical behaviors, high fidelity simulation studies that include the imparted loads on gears and bearings, and correlation of simulated events with field observations as available from the National Renewable Energy Laboratory and Sandia. This study will provide insight to the unknown dynamic loadings that can contribute to premature wind-turbine failures. The work thus enables a more reliable and cost-effective wind-energy fleet, which in turn promotes diversification of the renewable energy supply and the reduction of greenhouse gases. Understanding of resonances, localization, and instability of coupled blades with direct and parametric cyclic and aeroelastic excitation, and the effects on dynamic loading of the gearbox, will provide improved design guidelines for wind-turbine engineers, and will also advance the field of dynamics. Results will be disseminated through journal publications, conference presentations, and wind energy meetings and workshops. A doctoral student and an undergraduate will be prepared for the wind energy workforce. The PI will conduct outreach through existing university programs for high-school students and gifted middle school students.
该项目的目的是加深我们对水平轴风涡轮叶片的动态的理解,以及它们对变速箱和轴承的负载,最终为风涡轮设计师提供了指南,以开发具有更高可靠性的涡轮机。 风叶动态模型涉及旋转,由于重力和稳定的风剪(同时产生参数和直接激发),空气弹性和任意风刺激的影响。 这项工作集中在与集线器结合的几乎相同的风叶片相关的共振和不稳定性上。 这种对称布置容易振动,这增加了单个叶片的振动。 该项目通过叶片和枢纽的基本建模,减少订单建模和扰动分析来解决这些动态,从而产生了批判行为的参数和机制的作用,高保真模拟研究,包括对齿轮和轴承上的负载负载的负载,以及与实地观察的相关事件,以及来自全国能量实验室的现场观察事件,以及桑德尼亚的现场观察。 这项研究将为未知的动态载荷提供洞察力,这些动态负载可能导致过早的风涡轮失败。 因此,这项工作使一个更可靠,更具成本效益的风能机队又促进了可再生能源供应的多样化和温室气体的减少。 了解具有直接和参数循环弹性激发的耦合叶片的共振,定位和不稳定性以及对变速箱动态负载的影响将为风涡轮工程师提供改进的设计指南,并将推进动态学领域。 结果将通过期刊出版物,会议演讲以及风能会议和研讨会来传播。 博士生和本科生将为风能劳动力做准备。 PI将通过现有的大学课程为高中生和有天赋的中学生进行宣传。

项目成果

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