风力机叶片结构设计与数值模拟

采用CFD技术对NACA0018型、NACA63A010型、NACA4412型、NACA23012型4种代表性翼型进行仿真分析,得出其单叶片翼型的压力场、速度场、升力系数和阻力系数变化情况,并对仿真过程中得到的曲线进行分析,得到4种翼型在不同风速工况下的气动特性因数。采用4种翼型中气动性能最优的NACA0018翼型,作为风力机叶片的截面翼型,借助MATLAB和SolidWorks软件完成风力机叶片结构建模。     

粗糙度对风力机翼型气动性能影响的研究

为了得到粗糙度对翼型气动性能的影响,采用CFD数值模拟,研究了S809翼型布置粗糙度时的气动性能,得到了其敏感粗糙度;模拟计算了翼型吸力面和压力面分段布置粗糙度时,翼型升、阻力的变化;采用对称加厚的方式对S809翼型进行钝尾缘修型,并对最优修型和原始翼型气动性能进行了比较。结果表明:粗糙度0.5 mm是S809的敏感粗糙度,吸力面距离前缘5%、55%弦长位置和压力面相距45%、65%弦长位置是翼型粗糙度敏感位置;钝尾修型2%弦长为最优,修型之后的升力在布置粗糙度后有明显提升,综合指标数表明:改型翼型相比于原始翼型具有相对较低的粗糙度敏感性。     

风力机叶片内侧翼型综合改型对翼型气动性能影响

针对风力机叶片内侧翼型,研究其改型前后的气动性能,揭示在叶片内侧相对厚度、相对弯度、尾缘厚度综合改进翼型的规律。通过Profili和Matlab软件对翼型相对厚度、相对弯度和尾缘厚度参数化处理,用Profili和Fluent软件数值模拟,对比原始翼型和改进翼型升阻力系数、升阻比及翼型表面压强和速度分布。结果表明:综合改进翼型不能单纯将相对厚度、相对弯度、尾缘厚度按各自最佳综合改进,需进一步研究综合改进翼型方法;在叶片内侧保证结构强度的前提下,按相对弯度在最佳的基础上增大1%弦长左右,尾缘厚度在最佳的基础上减小2%弦长左右,改进后的翼型气动性能较好。研究结论可供风力机叶片翼型设计和改型量化参考。     

风力机叶片覆冰翼型气动性能的数值模拟（英文）

以某1.5 MW风机叶片S818翼型为研究对象,建立了翼型流场有限元分析模型。采用基于Reynolds平均的Navier-Stokes不可压缩粘性方程作为流动控制方程,对无冰翼型、霜冰、弦长冰及角冰翼型进行数值模拟分析,得到了-2°-20°攻角下不同厚度叶片翼型的升阻比、速度矢量和表面压力分布。研究结果表明:覆冰越厚,翼型的最大升阻比降幅越大。对于弦长冰和角冰在厚度达到一定值时,使得升阻比损失产生较大的突变。在覆冰厚度都为10 mm时,角冰的最大升阻比减幅最大,达到22.04%;其次是弦长冰为11.97%,霜冰的最小为6.41%。同时结冰后的翼型会提前进入失速区,导致桨叶气动性能恶化,降低了风机的功率系数。     

基于CFD的垂直轴式风力机关键技术研究

在垂直轴风力机结构设计的基础之上,采用CFD技术对其流场及气动性能作了深入分析。根据分析结果来研究叶尖速比、叶片翼型、叶片安装角度等因素对风力机气动性能的影响,得出了翼型在叶尖速比λ=2、风速约为12 m/s时,风力机风能利用率最大,从而为风机叶轮优化设计提供了参考。     

风力机叶片覆冰翼型气动性能的数值模拟

以某1.5 MW风机叶片S818翼型为研究对象,建立了翼型流场有限元分析模型。采用基于Reynolds平均的Navier Stokes不可压缩粘性方程作为流动控制方程,对无冰翼型、霜冰、弦长冰及角冰翼型进行数值模拟分析,得到了-2°-20°攻角下不同厚度叶片翼型的升阻比、速度矢量和表面压力分布。研究结果表明：覆冰越厚,翼型的最大升阻比降幅越大。对于弦长冰和角冰在厚度达到一定值时,使得升阻比损失产生较大的突变。在覆冰厚度都为10 mm时,角冰的最大升阻比减幅最大,达到22.04%;其次是弦长冰为11.97%,霜冰的最小为6.41%。同时结冰后的翼型会提前进入失速区,导致桨叶气动性能恶化,降低了风机的功率系数。     

智能阀门定位器控制方法的研究

针对采用直行程气缸控制的阀门设计了智能阀门定位器。为研究其控制方法,采用AMESim/Simulink联合仿真,在AMESim中建立气动伺服阀控非对称缸的系统模型,以S函数的形式导入到模糊自整定增量式PID控制系统的Simulink模块中,得到气动伺服系统的响应特性。将有、无PID系统的响应特性进行对比分析,结果表明:模糊自整定增量式PID控制器可以改善气动伺服系统的响应性能,达到了调节精度高、调节速度快的目的。     

气动人工肌肉静态特性实验及模型仿真研究

由于受到材料、端部结构、内部摩擦力等因素的限制,建立准确的气动人工肌肉数学模型十分困难。针对气动人工肌肉的内部摩擦力和橡胶弹性力,建立了比理想模型更加符合实际的改进数学模型。根据DMSP型气动人工肌肉的结构与特性,设计并完成了基于LabVIEW的静态特性实验。经过对比分析实验数据与应用MATLAB仿真得到的理想模型曲线和改进模型曲线,研究了橡胶弹性力与摩擦力对气动人工肌肉轴向收缩力的影响,为下一步拮抗关节和控制方法的研究打下基础。     

汽车进气格栅多目标优化设计

基于kriging模型和NSGA-Ⅱ算法,采用多目标优化设计的方法研究了进气格栅对汽车气动性能和发动机舱散热性能的影响,并通过数据挖掘技术研究设计变量与目标函数间的影响机制。进气格栅优化变量有3个:格栅倾角、格栅条数量和格栅条宽度。优化目标为汽车的气动阻力系数、气动升力系数以及进入发动机舱的气流质量流量。通过总变差分析和自组织映射图分析,得出了各设计变量对不同目标的影响程度以及变量与目标之间和目标与目标之间的相互关系。最后对比分析了优化后的模型和原始模型的气动性能和发动机舱散热性能。     

水下气动发射装置内弹道仿真和参数影响分析

对某水下气动发射装置进行了理论分析,研究了其内弹道特性。利用数学建模方法对发射过程进行了建模并对内弹道性质进行了计算。对影响内弹道性能的3个主要参数:武器运动的初始阻力、发射阀最大开启面积和发射气瓶初始充气压强进行了分析。计算结果表明:发射管最大膛压的主要影响参数为武器运动初始阻力;而武器出管速度的主要影响参数为发射气瓶初始充气压强和发射阀的最大开启面积。     

随机载荷下风机齿轮动态可靠性评估

以2 MW水平轴变速风力发电机齿轮传动系统为研究对象,对已产生裂纹的风机齿轮进行可靠性评估。以随机风速作为风机齿轮箱外部载荷,通过齿轮的转矩、切向载荷,计算齿轮齿根所受应力,并采用Weibull分布进行拟合;根据断裂概率与齿轮所受最大应力之间的关系和Griffith理论,建立断裂概率与裂纹之间的模型;基于Paris公式建立裂纹与载荷加载次数模型;最后,将上述2种模型结合,利用可靠度与失效率之间的关系,建立考虑随机载荷条件下,风机齿轮的动态可靠性模型。以风机齿轮箱中太阳轮为例,结果表明：相对于初始可靠度大于0.99的太阳轮,所验证的太阳轮初始可靠度在低至0.5的情况下,经过高载荷的作用,其可靠度会急剧下降,直至失效。在确定的材料下,所提模型可以较好地反映不同应力水平下裂纹扩展以及裂纹对可靠度的影响,可较好地应用于工程实践中。     

A design perspective on thermal barrier coatings

This article addresses the challenges for maximizing the benefit of thermal barrier coatings for turbine engine applications. The perspective is from the viewpoint of a customer, a turbine airfoil designer who is continuously challenged to increase the turbine inlet temperature capability for new products while maintaining cooling flow levels or even reducing them. This is a fundamental requirement for achieving increased engine thrust levels. Developing advanced material systems for the turbine flowpath airfoils, such as high-temperature nickel-base superalloys or thermal barrier coatings to insulate the metal airfoils from the hot flowpath environment, is one approach to solve this challenge. The second approach is to increase the cooling performance of the turbine airfoil, which enables increased flowpath temperatures and reduced cooling flow levels. Thermal barrier coatings have been employed in jet engine applications for almost 30 years. The initial application was on augmentor liners to provide thermal protection during afterburner operation. However, the production use of thermal barrier coatings in the turbine section has only occurred in the past 15 years. The application was limited to stationary parts and only recently incorporated on the rotating turbine blades. This lack of endorsement of thermal barrier coatings resulted from the poor initial duratbility of these coatings in high heat flux environments. Significant improvements have been made to enhance spallation resistance and erosion resistance, which has resulted in increased reliability of these coatings in turbine applications.     

风力发电机叶轮的气动性能数值模拟研究

利用CFD软件Fluent对风力机叶轮在额定风速下的气动性能进行数值模拟研究,通过仿真叶轮周围三维流场流态,得出叶片表面的压强分布、流速分布和速度矢量等流态图,并计算出叶片受力和转矩,验证了风力机叶轮气动性能数值模拟的可靠性,可为风力发电机叶片的优化设计提供技术参数和指导。     

前缘磨蚀对风力机叶片材料特性影响的数值研究

为探究风沙环境下前缘受损风力发电机叶片的载荷变化,基于有限元法对受损叶片进行数值模拟,研究不同载荷、不同冲蚀程度以及不同材料对叶片的应力、位移、固有频率的影响.结果表明:当冲蚀程度在0 mm×0 mm至1 mm×1 mm之间,冲蚀的深度和厚度对叶片应力的影响较小;叶片材料密度增大,风轮的转速增高,对叶片的应力影响较大;提高风速虽然使叶片气动载荷增大,叶片整体应力增大,但是应力趋势变化不明显;冲蚀程度增大对叶片位移影响较小;提高风速或者提高风轮转速会使叶尖最大位移增大,同时材料密度大的叶片位移更大;在叶片的前3阶模态分析中,冲蚀程度对叶片影响极小,在第8阶模态中,随着冲蚀程度增大,叶片的固有频率逐渐减小.     

Structural-Response Analysis,Fatigue-Life Prediction,and Material Selection for 1 MW Horizontal-Axis Wind-Turbine Blades

The problem of mechanical design, performance prediction (e.g., flap-wise/edge-wise bending stiffness, fatigue-controlled life, the extent of bending-to-torsion coupling), and material selection for a prototypical 1 MW horizontal-axis wind turbine (HAWT) blade is investigated using various computer-aided engineering tools. For example, a computer program was developed which can automatically generate both a geometrical model and a full finite-element input deck for a given single HAWT-blade with a given airfoil shape, size, and the type and position of the interior load-bearing longitudinal beam/shear-webs. In addition, composite-material laminate lay-up can be specified and varied in order to obtain a best combination of the blade aerodynamic efficiency and longevity. A simple procedure for HAWT-blade material selection is also developed which attempts to identify the optimal material candidates for a given set of functional requirements, longevity and low weight.     

大型风电球墨铸铁件的生产实践

以轮毂为例,介绍对大型风力发电机球墨铸铁件生产工艺进行的试验研究。通过优化铸型工艺,采用适当的浇注系统和低温石墨化退火工艺,选择合理的化学成分,控制球化处理与孕育处理,可生产出各项性能指标合格的风电铸件。     

基于ISOA−KELM的风机叶片腐蚀速率预测

目的 针对风机运行安全问题,建立风机叶片表面腐蚀速率预测模型,实现对风机叶片安全的预警。方法 对风机叶片腐蚀的原理进行分析,探讨复合材料的腐蚀机理,根据现场实测的数据对叶片表面腐蚀速率进行预测。针对海鸥算法(SOA)易陷入局部最优的问题提出了相应的改进方案,采用logistics混沌映射取代了随机选取海鸥初始位置的方式,提高海鸥初始位置的质量;在海鸥位置更新方式中引入了Levy飞行策略,使得海鸥算法有更强的全局搜索能力;采用Metropolis准则,使处于较差位置的海鸥个体也有一定概率被接受,以提高种群多样性。将改进的海鸥算法用于对核极限学习机(KELM)参数的寻优,建立ISOA?KELM风机叶片表面腐蚀速率预测模型。对该模型进行实验,并与SOA?KELM、PSO?KELM、GA?KELM进行预测误差对比。结果 使用ISOA优化KELM提升了KELM的预测精度,获得的平均绝对误差(MAE)为0.457、均方误差(MSE)为0.280、确定系数(R?square)为0.959,均优于SOA?KELM、PSO?KELM、GA?KELM对比模型。结论 用ISOA?KLEM模型建立的风机叶片表面腐蚀速率模型具有更高的预测精度,基于相关环境数据预测的腐蚀速率对风电场的维修计划具有良好的指导作用。