基于多目标遗传算法的风力机叶片全局优化设计

风力机叶片设计的目标多样性使得传统单一目标设计方法无法满足设计要求,大型风力机的高发电量与大负载之间的矛盾必须得到平衡。为此,以年发电量最大和叶片质量最轻为优化设计目标,通过多目标遗传算法设计5 MW大型风力机叶片,得到Pareto分布优化解集。与美国可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)设计的5 MW风力机叶片比较,结果表明,Pareto优化解集均一定程度优于参考叶片,年发电量最大提高量为3.3%,最大质量减少量为8.7%,其中优化设计叶片2在质量降低3.8%的基础上,提高了3%的年发电量,达到了优化设计的目的。优化设计叶片额定风况下推力系数和叶根弯矩均更小,最大功率系数更大。变风况下功率特性与参考叶片相差不大,低风速下设计叶片输出功率略高,推力系数更小。     

基于遗传算法的小型风力机叶片优化设计与三维仿真分析

根据叶素动量理论(Blade Element Momentum theory,BEM)的Wilson方法建立了风力发电机叶片气动计算模型,并考虑叶尖损失、轮毂损失、叶栅理论及失速状态下动量理论的失效的修正。提出了基于MATLAB遗传算法工具箱,以风能利用系数最大为优化目标,对叶片弦长和扭角等参数进行优化设计的方法。在优化后得到叶片模型基础上,基于Fluent软件对三叶片风轮进行了三维仿真,得到了整机风轮压力分布与表面空气流速分布图,并得到了叶片的转矩值,据此计算求得风轮功率和功率系数,绘制了风轮功率及功率系数随风速变化的关系图。通过分析,表明基于遗传算法的风力机叶片优化设计方法是有效可行的,能有效提高风能的利用率,对风力机叶片的设计、改型和研发工作具有指导意义。     

水平轴风力机的功率极限

为求得理想风力机的功率系数随尖速比和翼型升阻比变化的表达式,作为实际风力机功率系数的理论极值,采用叶素一动量理论,推导出理想叶片弦长公式;沿理想叶片翼展积分,得到功率系数表达式.在该表达式中令阻力系数为0,得到与尖速比关联的功率系数极限公式;进一步令尖速比趋近于无穷大,得到贝兹极限(16、27).为给出实际风力机功率系数极限值,以及为便于理论分析,对升阻比在10～1 000和尖速比在1～10范围内的理想风力机的功率系数进行详细计算,给出了数据表格.研究结果表明,理想风力机的功率系数仅是尖速比和升阻比的函数,只有当尖速比和升阻比都趋近于无穷大时功率系数才趋近于贝兹极限.研究还表明,升阻比小于100的实际风力机的功率系数不可能超过0.538,如果考虑有限叶片数和叶片形状的影响,实际风力机的功率系数难以超过0.500.     

基于遗传算法的风力机叶片优化设计

提出了风力机叶片的优化设计模型,模型以动量—叶素理论为基础,首先对风力机的气动性能进行计算,然后根据作用在风力机叶片上的气动力,以风力机叶片每段的年能量输出最大为设计目标,使用遗传算法进行寻优搜索。利用开发的优化设计程序,针对特定风场设计截面的最佳弦长和扭角。仿真结果表明,采用遗传算法设计出的叶片在扭角值基本吻合的前提下,比原有叶片在不同的风速下,功率都有所增加,从而证明了算法的实用性和有效性。     

Savonius风力机叶片弧度的数值模拟研究

为研究Savonius风力机的叶片弧度对其功率性能的影响,建立Savonius风力机的二维有限元分析模型,应用FLUENT进行数值模拟计算。计算基于RNG k-ε湍流模型,采用滑移网格技术实现风力机的转动。研究了叶片弧度从(140～180)°范围的风力机在不同尖速比下的平均力矩系数与平均功率系数,通过比较最大平均功率系数来确定叶片弧度的最优值。数值模拟的结果表明:叶片弧度越小,Savonius风力机受到的阻力矩越大,其平均力矩系数和平均功率系数就越低,即功率性能越差;叶片弧度在180°时,Savonius风力机功率性能最优。     

风力机叶片气动外形与主机运行特性耦合优化设计

在叶片的优化设计中,叶片的气动外形与风力机主机的稳态运行特性存在耦合设计关系,一方面叶片的外形形状决定主机的稳态运行特性;另一方面对不同外形形状的风力机叶片应设计与之相匹配的风轮转速、叶片桨矩角等主机稳态控制策略,进而才能准确的计算和提高叶片在低风速条件下的气动性能。基于高阶贝塞尔曲线和粒子群算法构建了叶片气动外形的优化设计模型,在最大叶根弯矩和风轮推力的约束条件下,以年发电量最大为目标对某1.5MW叶片进行了优化设计。结果表明,提出的优化设计方法可实现风力机叶片气动外形和稳态运行特性的一体化优化设计,提高了风力机在低于额定风速下的气动性能,研究方法可运用于低风速超低风速风力机叶片的设计中。     

风力机叶片的形状优化设计

在风力机优化设计过程中,考虑法向力和切向力的叶尖损失,基于一维的动量叶素理论及传统的风力机空气动力学原理,推导并给出新的风力机轴向和周向因子的计算模型。探讨风力机成本和输出能量之间的关系,得到风力机成本及其年输出能量的计算模型,进而建立风力机单位输出能量成本的数学模型,以其为优化设计目标,以叶片的形状参数弦长、扭角和相对厚度为优化设计变量,提出叶片的优化设计数学模型。最后,应用该优化模型对某2MW风力机叶片进行优化设计,并对优化结果进行比较分析,验证了优化叶片的工作性能,很好地实现了风轮单位能量成本的降低。研究成果为大功率风力机叶片的设计开发提供了理论依据,奠定了风力机叶片的研究和工业应用前景。     

风力机参数化集成表达方法及其收敛特性研究

为了研究风力机叶片参数化集成表达的方法,基于翼型型线集成理论与Bezier曲线拟合方法,建立了风力机叶片翼型、弦长和扭角分布集成表达的控制参数模型。通过风力机气动和噪声计算模型,研究了拟合风力机叶片的气动和噪声收敛特性。结果表明,本方法所得到的控制参数对应表达的拟合风力机叶片在功率、载荷和噪声等变化曲线与原风力机吻合一致,满足收敛的精度要求。     

气动载荷作用下复合材料风力机叶片结构优化设计

针对复杂构形的复合材料风力机叶片内部结构,采用新设计的2 MW风力机叶片,基于等代设计法对其进行复合材料初始铺层设计;建立完整的叶片有限元参数化模型;基于修正的动量叶素理论,提出一种适用于叶片结构设计与优化的新的流固耦合方法;建立叶片优化数学模型,以叶片质量最小为优化目标,以层合板厚度、主梁位置等作为优化设计变量,采用粒子群算法与有限元法结合的策略对复合材料风力机叶片进行优化设计。优化结果表明,相比初始叶片,优化后的叶片质量有了较大的减少,而且以优化设计方案二(叶片主梁位置可变作为优化设计变量之一)的结果尤为明显。该研究对于风力机叶片结构设计及优化具有重要的指导意义,使风力机翼型、叶片及结构参数化一体化设计成为可能。     

风力机叶片的优化设计

风力机叶片的优化设计对于提高风能利用效率和功率输出有重要的意义。基于求解叶素一动量定理方程,忽略阻力影响,考虑叶尖损失因素,得出了一种风力机叶片的优化设计方法。该方法可以从理论上保证获得最大的风能利用系数,并对于不同翼型的叶片设计具有通用性。     

1．0 MW 变速恒频异步风力发电机组设计改型

通过阐述兰电（ LEC）与沈工大风能研究所合作研制的FD60-1000样机的设计方案,介绍主要部件风轮、叶片翼型、塔筒改型为FD65-1000风电机组,通过试验得到低风速频率集中的地域,风电机组的发电量明显比样机的发电量要高,而且在接近额定风速区域功率曲线时基本和设计的理论功率曲线接近吻合,通过叶片改型气动外形和分析效果良好。     

Numerical simulation for prediction of aerodynamic noise characteristics on a HAWT of NREL phase VI

The purpose of this study is to numerically predict the characteristics of aerodynamic noise generated from rotating wind turbine blades according to wind speeds using commercial CFD code, FLUENT. The near-field flow around a HAWT of NREL Phase VI is simulated directly by LES, whereas the far-field aerodynamic noise for frequencies below 500 Hz is modeled using FW-H analogy. As there was no experimental noise data, we first compared aerodynamic noise analysis with experimental data. This result showed a difference of power outputs by 0.8% compared with the experimental one with 6.02 kW. Then the characteristics of aerodynamic noise were predicted at a specific location P1 according to IEC 61400-11 international standard. When the wind turbine blades rotate with time, tip-vortices occur at the tip of two blades and are generated periodically in a circle. These vortices in the vicinity of the blade tip cause intense aerodynamic noise due to the tip vortex-trailing edge interaction by local cross flows along the trailing edge. In a wind speed of 7m/s the sound intensity ratio of quadrupole to dipole at P1 location is about 21.1%, but as wind speed increases the sound intensity ratio increases up to 54.3% in the case of no-weighted correction. This means that there is a considerably close relation between the quadrupole noise by small and large scales and the increase of wind speeds. With the purpose of a rough prediction of sound power level, CFD results were compared with a simple model of previous researchers and showed a good agreement with one by Hagg of three other models.     

驱动合成气压缩机用工业汽轮机设计分析

针对某化工企业用合成气汽轮机高参数、高转速、高功率等要求的问题,基于透平热力学理论,提出了一种反动式工业汽轮机设计方案。使用透平强度理论对汽轮机直叶片的应力进行了详细计算,使用有限元分析对调节级叶片、末级扭叶片的应力进行了详细研究,使用转子动力学理论对汽轮机转子4种不同振型的不平衡响应振动进行了详细分析。利用动平衡机对转子进行了高速动平衡试验,同时通过汽轮机空负荷试验,检查了转子的实际振动情况。试验结果表明,汽轮机的功率与转速均满足用户的要求,叶片的应力在许用范围之内,叶片强度满足要求,转子的临界转速具有足够的避开余量,转子的振幅不超过25μm,符合API612的要求;该设计方案可满足用户的要求,能广泛满足合成气压缩机的驱动需求。     

Blade number effect for a ducted wind turbine

Ducted wind turbine with multiple blades installed was believed to have a good wind power energy conversion effect. However, little information was available on how to design a good ducted wind turbine. In this paper the effects of blade number on a ducted wind turbine performance is studied. Numerical studies using CFD method to simulate the wind turbine performance were adopted. The duct is a converging-diverging nozzle with the turbine blades located at the throat. A rated output of a 1-kW turbine is adopted as the baseline design. It was found that the blade geometry, stagger angle, and number of blades have different duct blockage effects, and do affect the turbine performance (specifically the power coefficient and torque coefficient, etc.). The fewer number of blades has higher through flow speed, while the larger number of blades provides larger torque. The best power coefficient lies in between the two extremes. The appropriate number of blades is important to match the generator performance curve for optimal overall performance and efficiency. This paper was presented at the 9^th Asian International Conference on Fluid Machinery (AICFM9), Jeju Korea, October 16–19, 2007.     

基于钝尾缘翼型叶片的三维风力机性能分析

随着风力机向大型化发展,为有效提升风力机叶片的性能以及结构强度,将钝尾缘翼型应用于风力机叶片设计。以NACA639XX系列翼型为基准翼型,通过Hicks-Henne型函数和钝尾缘函数对翼型进行参数化拟合,使用多岛遗传算法优化得到层流钝尾缘翼型族(USST-XXX)。将此翼型族中相对厚度为21%的USST-211翼型与NACA63921层流翼型替换NREL PhaseVI叶片截面的S809翼型,建模得到两种三维风力机叶片,采用数值模拟的方法,对这两种叶片不同风速下的流场进行分析,并与NREL Phase VI风力机叶片的气动性能进行对比。数值模拟结果表明,在额定风速附近,采用层流钝尾缘翼型所构造的新叶片风力机的风能利用系数高于其他两种叶片。研究结果表明优化得到的层流钝尾缘翼型族可以有效提升风力机气动性能,在大型水平轴风力机叶片设计方面具有良好的应用前景。     

基于遗传算法的风力机叶片优化

绍了遗传算法的基本知识并提出了风力机叶片优化设计模型,采用全局优化的方法,以叶片各截面年发电量最大为设计目标,叶片各截面处的弦长和扭角为优化变量,使用遗传算法进行了搜索寻优。以1.5 MW 风力机为例,利用 MATLAB 软件中已开发的优化程序设计并优化叶片,把用全局优化方法设计的叶片与 Glauert 方法所设计的叶片进行了比较,同时把所设计的叶片与已有叶片相比,结果表明其输出功率明显增加,从而说明了该方法的有效性。     

基于气弹耦合特征的风力机叶片优化设计

为提高风力机叶片气动结构性能,基于风力机风轮空气动力学及叶片结构动力学原理,选取叶片所处位置及扭转变形为自由度,在研究叶片摆振、摆振方向各阶振动模态的基础上,提出风力机叶片气动弹性耦合振动变形计算模型。基于风力机整机部件构成及输出功率特征,提出风力机叶片优化设计模型,对某5 MW风力机叶片的进行形状优化设计,通过对比分析优化叶片和原始叶片的输出功率及气弹载荷特性,验证优化叶片气动及结构性能的优越性。     

PIV measurements over a double bladed Darrieus-type vertical axis wind turbine: A validation benchmark

Vertical axis wind turbines (VAWTs) are very attractive for in-home power generation since they can be adopted even at low wind speeds and highly variable wind direction. Even if significant experimental research activity has been carried out to improve VAWTs performance, the ability to accurately reproduce flow field characteristics around turbine blades by CFD (computational fluid dynamics) techniques represents a powerful approach to further enhance wind turbines performance. Thanks to CFD, in fact, it is possible to reproduce flow characteristics with a detail level impossible to achieve by experiments. Nevertheless, in order to appropriately analyze the flow structure by CFD application, an accurate validation is essential, and high-quality measurements of some main flow characteristics are required. In recent publications the authors investigated, both experimentally and numerically, the performance of an innovative double bladed Darrieus-type VAWT, with the aim to define an optimal configuration also focusing on self-starting ability of the prototype by employing CFD technique. Nevertheless, comparison between experiments and numerical results was made only in terms of power and torque coefficients. To overcome such limitation, in this paper the authors propose an experimental benchmark case for CFD results validation, describing detailed flow field in correspondence of one pair of blades of the innovative Darrieus-type VAWT in static conditions. Measurements were performed employing Particle Image Velocimetry (PIV) technique on a scaled model of the turbine blades realized by 3D printing. An uncertainty analysis was also performed which showed a high accuracy of the obtained experimental results. The measurements of the main flow characteristics (bi-dimensional velocity components) were then used for a test case CFD validation of two different turbulence models.     

大型风力机叶片研究现状与发展趋势

叶片是风力机最为关键的部件之一,叶片、轮毂组成的风轮是能量捕获机构,将风能转变为机械能,与此同时,叶片又是风力机力源,主要承载部件,对整个风力机安全运行起着关键作用。在对大型风力机及其叶片产业发展现状分析基础上,从气动外形与结构设计现状、运行监测与控制技术现状、发展趋势与有待研究的问题等几个角度进行较为全面的梳理总结,从而从总体上把握现代大型风力机叶片研究现状及发展趋势。指出今后将在针对抗台风叶片、低风速叶片、仿生叶片和低噪音叶片等的个性化设计,具有外部载荷环境和自身结构状态变化感知功能的智能风力机叶片设计等方面进一步发展;已经形成的风力机叶片设计、制造及运行监控理论等还要随着大批量风力机全生命周期服役实践,进一步完善和发展。     

大型风力机叶片的耦合优化方法

为了降低兆瓦级风力机叶片的制造成本,通过耦合叶素动量理论与复合材料欧拉伯努利梁强度设计理论,综合考虑风能效率和成本,以叶片的风能效率成本最小化为优化目标,提出了大型风力发电机叶片的多学科优化设计方法。并基于该方法,对某50 m风力机叶片进行了优化设计。研究结果表明,该方法能够找到风能效率与成本的平衡设计点,叶片风能效率成本比传统设计方法设计的叶片减少了8.84%。