水平轴风力机叶片优化设计方法

为避免风力机叶片设计陷入局部最优解,通过Bezier参数化曲线定义叶片弦长及扭角分布规律,采用遗传算法优化曲线控制点位置,以年发电量最大为优化目标,全局寻优叶片外形参数,并与Wilson设计叶片比较。分别计算两种设计叶片在额定风况及变风况下的气动性能,结果表明:通过遗传算法设计的叶片弦长、扭角更小;额定风况下,遗传算法设计叶片推力系数更小,最大功率系数更大;变风况下,两种设计叶片输出功率相差不大,但Wilson设计叶片的叶根弯矩和风轮推力更大,整个工作风速区平均为4.7%和7.3%。     

大型海上风力机地震冲击角动力学响应分析

为研究海上风力机在不同地震冲击角下的动力学响应,基于p-y曲线法构建土-构耦合模型,基于DTU 10 MW 单桩式近海风力机建立有限元模型,研究地震冲击角变化对大型海上风力机地震动力学响应的影响。结果表明：0°和90°地震冲击角下风力机结构受载荷响应最剧烈;当地震冲击角为锐角时,塔顶前后向和侧向位移幅值均下降,总应变能集聚现象显著缓解;地震冲击角为15°和30°时风力机等效应力均值相对其他角度有明显下降。因此,主动调整风力机叶轮朝向以调整地震冲击角可能成为风力机受地震冲击后降低损害的有效控制方式。     

风剪切下塔影效应对水平轴风力机叶片及风轮气动载荷的影响

采用CFD方法,以NH1500三叶片大型水平轴风力机为研究对象,研究额定风速剪切来流下的塔影效应对水平轴风力机叶片和风轮非定常气动载荷的影响。结果表明：剪切来流下,叶片和风轮的气动载荷均呈余弦变化规律,塔影效应的主要影响叶片方位角范围为160°~210°,且该范围不随风剪切指数的变化而变化。相同风剪切指数下,塔影效应对叶片和风轮气动载荷的均方根影响较小,对其波动影响较大。当风剪切指数从0.12增至0.30时,塔影效应下,叶片气动载荷的均方根减小,推力和转矩的波动幅度增大,偏航力矩和倾覆力矩的波动幅度减小;风轮推力和转矩的均方根减小,波动幅度变化较小,而倾覆力矩和偏航力矩的均方根增大,且波动幅度也增大。     

水平轴风力机叶片扭角和弦长的理想分布

为得到风力机功率、转矩和推力等性能随尖速比和翼型升阻比变化的极限公式,需求解叶片的理想扭角和弦长沿翼展变化的解析表达式,同时这项研究也可为叶片外形设计提供理论参考。为此首先从效率最大化的原则出发,用极值的微分算法证明最佳攻角就是使翼型升阻比最大的攻角;其次利用最佳攻角和入流角公式推导出叶片理想扭角沿展向的解析表达式;然后根据动量-叶素理论,推导出叶片理想弦长沿展向的解析表达式。研究表明:叶片理想扭角是设计尖速比、最佳攻角和风轮半径的函数,叶片理想弦长是设计尖速比、风轮半径以及对应最佳攻角的升力和阻力系数的函数。这两个表达式均可表示为显函数的形式。     

偏航速度对风力机功率及叶片应力的影响研究

通过实验测试,以动态旋转平台模拟风力机风向变化及偏航对风,研究不同偏航速度及偏航延时时间对风力机叶片应力及功率的影响。结果表明：动态偏航对风过程中,应力值基本呈由前缘向后缘、叶根向叶尖递减的趋势,在叶展方向0.67R及0.75R处,叶根弦向方向0.25c及0.50c处出现应力集中现象,偏航延时时间的加入可有效抑制叶片应力波动,过慢的偏航速度会导致功率曲线出现较大波动。引入一无量纲系数,该系数为风力机功率及叶片应力的比值,通过分析得知在仅考虑风力机叶片应力及功率时,风力机最佳偏航速度为0.5°/s。     

大型风力机叶片气动与结构耦合优化设计研究

针对大型风力机风轮气弹效应对叶片结构的影响作用,对叶片结构优化设计的理论模型建模方法进行研究。采用叶素动量理论和梁理论,并结合遗传算法,将叶片各截面弦长、扭角和铺层厚度3个形状参数作为优化设计的变量,提出一种以叶片最小重量作为结构优化设计目标的理论模型。以1.2 MW风力机叶片为例,对优化前后叶片的3个形状参数与风力机功率特性间关系进行的计算分析表明,考虑叶片气弹变形的影响作用不仅能提高风轮的风能利用系数,且能减小叶片的截面质量线密度,进而降低叶片的制造成本。     

基于Theodorsen理论的新型动态失速预测模型及其应用

风力机叶片动态失速时的非定常气动特性及严重的迟滞现象使得风力机功率实测值严重偏离其静态预测值。鉴于此,基于Theodorsen理论、基尔霍夫势流理论,在忽略低阶附加质量引起的下洗气流加速度项及状态变量转换后,提出一种包括翼型附着流和后缘动态分离流的新型动态失速模型。利用该模型分析NREL 5 MW海上风力机叶片6种翼型的非定常动态失速特性得出：通过翼型的气流在完全附着流与完全分离流之间不断转换,受附着流脱落尾诱导的动态下洗气流影响及边界层动态分离产生的压力滞后的双重作用,动态升力系数变化曲线和静态升力现象曲线偏差较大,6种翼型动态升力系数变化曲线均呈非常明显的迟滞环现象。DU40、DU35、DU30、DU25、DU21和NACA64这6种翼型动态升力系数增幅明显,分别达17.6%、60.9%、60.7%、55.1%、63.7%和40.8%。动态失速攻角极大地超过静态失速攻角,分别增大到36.53°、21.40°、20.20°、17.68°、16.97°和21.42°。6种翼型动态失速预测结果与公开实验数据结论一致,证实所提出的动态失速气动模型计算结果准确可信,具有较强通用性。     

基于流固耦合偏航下风力机尾迹湍流特征的研究

偏航状态下风力机叶片与流场之间相互作用会导致风力机近尾迹流场的湍流特征变化,采用双向流固耦合对不同偏航工况下水平轴风力机近尾迹流场进行数值模拟研究,获得不同偏航角下尾迹湍流特征演化规律。结果表明：随着偏航角的增大,正偏航侧会出现“速度亏损圆环”,且此圆环的范围呈扩大趋势;偏航角的增大对叶根处速度亏损影响最大,对叶尖处速度亏损影响最小,与正偏航侧相比,负偏航侧的速度亏损值减为约1/2;随着偏航角的增大,正负偏航侧的湍流强度变化呈不对称性,正偏航侧对湍流耗散的影响程度较负偏航侧大;涡流黏度越来越小,且在偏航10°涡流黏度相对于偏航5°减小约1/2,沿着轴向叶尖涡的管状环涡结构变得不稳定,出现明显耗散,且在偏航15°之后涡结构的耗散破裂程度越来越剧烈,进而对风力机气动噪声产生较大影响。     

叶片数及弦长对升力型垂直轴风力机的影响

文章基于非对称翼型NACA4415,以功率系数为依据,以CFD仿真为手段,研究了在不同尖速比下叶片数与叶片弦长对升力型垂直轴风力机气动性能的影响,以及不同尖速比和叶轮实度不同时,垂直轴风力机功率系数的变化。研究结果显示,该类升力型垂直轴风力机叶轮实度取0.25~0.45,尖速比λ取2.5~3.4时,具有较高的功率系数。流场分析表明,当叶片弦长与叶片数的变化对流场的扰动能力小于垂直轴风力机从流场中获取风能的能力时,叶片弦长与叶片数的变化会增加垂直轴风力机的功率系数;反之,垂直轴风力机的功率系数降低。该研究为此类20 k W垂直轴风力机的设计与选型提供依据。     

Gurney襟翼对水平轴风力机性能影响的实验研究

在小型低速风洞中对装有NACA4424翼型叶片的水平轴风力机及在其尾缘加装Gurney襟翼的风力机进行了一系列性能对比实验。Gurney襟翼的高度分别为2%b和4%b(b为翼型弦长),叶片安装角在6°~14°范围内,实验风速为6~15m/s。实验结果表明,Gurney襟翼对水平轴风力机性能有显著影响,特别是在大安装角(即大攻角和大升力)下;在小安装角(即小攻角和小升力)时,Gurney襟翼使风力机性能降低。同时,装2%b襟翼的风力机性能要高于装4%b襟翼的风力机;在12°安装角时,前者提高风力机功率最少有39%,而后者也可提高风力机功率在34%以上。对于风力机最常用的叶型FFA-W3-211加装2%b的Gurney襟翼后的风洞对比实验同样证明了上述结论。     

Optimized linearization of chord and twist angle profiles for fixed-pitch fixed-speed wind turbine blades

The chord and twist angle radial profiles of a fixed-pitch fixed-speed (FPFS) horizontal-axis wind turbine blade are based on a particular design wind speed and design tip speed ratio. Because the tip speed ratio varies with wind speed, the originally optimized chord and twist angle radial profiles for a preliminary blade design through optimum rotor theory do not necessarily provide the highest annual energy production (AEP) for the wind turbine on a specific site with known wind resources. This paper aims to demonstrate a novel optimal blade design method for an FPFS wind turbine through adopting linear radial profiles of the blade chord and twist angle and optimizing the slope of these two lines. The radial profiles of the blade chord and twist angle are linearized on a heuristic basis with fixed values at the blade tip and floating values at the blade root based on the preliminary blade design, and the best solution is determined using the highest AEP for a particular wind speed Weibull distribution as the optimization criteria with constraints of the top limit power output of the wind turbine. The outcomes demonstrate clearly that the proposed blade design optimization method offers a good opportunity for FPFS wind turbine blade design to achieve a better power performance and low manufacturing cost. This approach can be used for any practice of FPFS wind turbine blade design and refurbishment.     

基于CFD的水平轴风力机叶尖小翼增功研究

基于风力机叶片增功装置设计要求,以NREL 5 MW叶片为设计原型,以扭角、上反角及后掠角3种小翼外形参数为优化因素设计正交试验表,每种因素分别选取4个水平值,采用计算流体力学(CFD)方法对加装16种不同构型小翼的叶片进行数值模拟。计算结果表明,叶片整体可增功约1.466%,同时推力增加约1.570%;影响扭矩的最主要因素为扭角,影响推力的最主要因素为上反角;通过分析叶片近尾迹流场发现,优化的叶尖小翼布局可改变叶片叶尖涡强度分布,调整叶尖翼型截面气动力特性,进而改善叶片气动性能。     

前曲扭角增加式叶尖气动特性研究

以某150 kW水平轴的风电机组叶片为研究对象,提出一种朝来流风方向圆弧式前曲、扭角增加的降载叶尖外形;建立以扭角增量A、弯曲角度B为变量的16组叶尖几何模型,为探究该降载设计叶片最佳适用风况,建立考虑扭角增量、弯曲角度及风速的三因素四水平正交试验表,借助ICEM完成多组仿真模型的网格划分,利用Fluent单一旋转坐标...     

实度对低风速风电机组风轮气动性能影响研究

为提高低风速地区的风能利用率,研究风轮实度对低风速风电机组气动性能的影响。考虑影响风轮实度因素（叶片数量、弦长及安装角）,设计2组不同弦长叶片与可调安装角轮毂。安装角改变时不仅会引起实度变化,还会使叶尖速比发生改变。通过车载试验验证安装角不同时对风轮气动性能的影响主要与叶尖速比相关。根据不同风轮表面压力分布数值模拟结果得出：相同风速下,弦长由叶根到叶尖逐渐增大的叶片更易启动。相同条件下,试验机组输出功率与数值模拟机组输出功率最大相差5.37%,说明数值模拟结果可信。随着风轮实度的增加,风速5 m/s时,其风能利用系数呈增大趋势,风速8 m/s时,其风能利用系数呈减小趋势,两趋势相交时实度为25.38%,得出该实度下风轮气动性能较优,即可得到适合低风速地区的风轮实度。     

Design and performance of a double-pitch wind turbine with non-twisted blades

A new design has been proposed for inexpensive wind turbine blades with high power coefficients.The new wind turbine blade has been subdivided into two, each with a different pitch angle, to optimise aerodynamic flow, absence of twist, and carries a variable chord along the blade itself.The new blade reveals some energy loss due to the tip vortices of each blade part (which can be minimised by winglets), yet proves that it is possible to create a wind turbine with high power coefficients.To design and evaluate the performance of the new wind turbine a numerical code, developed by the authors and based on blade element momentum theory, was implemented after validation by experimental measurement found in scientific literature. The code led to better choices of layout to maximise turbine performance.     

垂直对称四叶片风力机气动特性仿真研究

采用CFD计算软件对垂直轴风力机气动性能进行计算.首先,使用ICEM软件对模型进行前处理,通过Fluent软件进行数值模拟,分析不同计算时间步长和湍流模型对风力机气动特性仿真结果的影响,确定符合该研究模型的计算方法.随后,对顺流垂旋型垂直轴风力机在不同叶尖速比下进行计算,发现该风力机在叶尖速比为0.42时获得最大功率系...     

Optimum aerodynamic design for wind turbine blade with a Rankine vortex wake

This paper presents a model to optimize the distribution of chord and twist angle of horizontal axis wind turbine blades, taking into account the influence of the wake, by using a Rankine vortex. This model is applied to both large and small wind turbines, aiming to improve the aerodynamics of the wind rotor, and particularly useful for the case of wind turbines operating at low tip-speed ratios. The proposed optimization is based on maximizing the power coefficient, coupled with the general relationship between the axial induction factor in the rotor plane and in the wake. The results show an increase in the chord and a slightly decrease in the twist angle distributions as compared to other classical optimization methods, resulting in an improved aerodynamic shape of the blade. An evaluation of the efficiency of wind rotors designed with the proposed model is developed and compared other optimization models in the literature, showing an improvement in the power coefficient of the wind turbine.     

非对称锯齿结构对叶片气动声学性能的影响

为降低水平轴风力机叶片的气动噪声,受鸮类静音飞行能力的启发,提取鸮类翅膀羽毛的非对称锯齿结构,并重构于风力机叶片尾缘处。采用大涡模拟（LES）和FW-H方程对改型叶片和原型叶片的流场及声场特性分别进行研究。同时通过改变非对称锯齿尾缘的结构参数,以探究不同锯齿夹角、锯齿宽度和锯齿间距对非对称锯齿尾缘的降噪效果的影响。结果显示：非对称锯齿尾缘具有较好的降噪效果,尤其是在低频和中频区域,总声压级最多可降低10 dB。当锯齿夹角分别为30°、40°和50°时,随着锯齿夹角的增加,噪声声压级在多数方位角下呈增加的趋势;锯齿宽度分别为10、12.5和15 mm时,随着锯齿宽度的增加,噪声声压级在多数方位角下明显降低;锯齿间距的改变,对0°方位角下的噪声声压级影响显著。而从涡分布图中可发现,非对称锯齿尾缘未改变叶片表面涡脱落的位置,但会减小涡结构和涡强度,增大涡间距,从而抑制噪声的产生。