水平轴风力机风轮结构特性综合剪裁

基于静态与动态测试技术,对水平轴风力机风轮的结构特性进行了综合剪裁。在静态结构特性方面,用单点加集中荷载所得数据来综合评定受分布荷载作用的风轮叶片的强度及变形特性。为风轮叶片强度设计提供有效的判据。在动态测试方面,应用ＤＡＳ动态信号分析与故障诊断系统,对水平轴风力机的风轮叶片进行了试验模态分析,通过测量风轮叶片的振动信号,得到了风轮叶片的各阶模态分布,为风力机总机的总体优化设计提供了可靠的依据。     

水平轴风力机风轮气动性能数值模拟

以某上风向定桨水平轴风力机风轮为研究对象进行数值模拟,采用不可压N—S方程和κ -ω SSTN方程湍流模型,数值模拟了不同风速下风力机风轮的流动特性。结果表明：随着风速的增大,靠近叶片中部截面最先发生失速。在此基础上,分析了叶片整体的压力与速度分布。     

定常吸气对垂直轴风力机性能影响研究

定常吸气装置可有效提高垂直轴风力机气动性能,改善风轮流场结构及翼型动态失速特性。基于CFD方法对垂直轴风力机进行数值模拟,研究不同叶尖速比（TSR）下定常吸气对风力机气动及流场特性的影响,对比分析原始风力机及定常吸气作用下的风能利用率、整机转矩系数及涡量分布。结果表明：不同尖速比下定常吸气均可显著提高风力机气动性能,减小风轮载荷波动,降低最佳叶尖速比,提高风力机运行稳定性;叶尖速比为2.51时,风能利用系数增加34.69%;定常吸气削弱了风轮叶片间尾涡脱落的影响,抑制叶片前缘涡的形成,减缓了叶片的动态失速现象,对风轮流场有良好的改善效果。     

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。     

1.5MW风力机整机定常及非定常数值模拟

本文运用计算流体力学方法,以1.5 MW风力机为例,对风力机整机三维模型的空气动力学特性开展研究。针对三翼型风力机叶片,利用改进的Wilson方法进行气动设计,并通过寻找各截面最佳雷诺数的方法进行优化修正。建立了整机三维模型,设计流域并划分网格,定义边界及区域。最后对上述模型进行额定工况下定常与非定常数值模拟,利用模拟结果开展有关压力、失速特性等空气动力学特性的分析。结果表明：非定常模拟在风轮背面上的平均压力比定常小,使风轮前后压差变大,输出功率加大,其主要原因是叶尖出力的增加;旋转使得风力机叶片发生流体分离延迟,且产生更高的升力系数。     

风力机叶片三维数值计算方法确认研究

采用CFD软件包FINETM/TURBO,以两叶片NREL PhaseⅥ风力机的风轮为对象,进行了风力机风轮叶片三维绕流的定常粘性数值模拟研究。通过详细对比计算结果与实验数据(包括功率、叶片展向5个截面压力系数分布及沿叶展方向载荷系数分布),确认在大部分风速条件下数值模拟可以很好的预计风力机气动性能。然后分析了计算域尺度、边界条件和湍流模型等对数值模拟结果的影响,为采用CFD技术对实际风力机叶片三维气动性能进行精确数值模拟提供参考。     

风轮风载荷等效系数计算方法研究

在风力发电机支撑结构设计初期,风轮的载荷多根据建筑风载荷规范确定,但建筑风载荷计算中常采用的体型系数却无法准确计算旋转机构荷载。文章首先分析了水平轴风力机叶片推力系数与体型系数的关系,然后根据功率系数计算叶片推力系数,从而获得整个风轮的风载荷,据此提出了考虑实际叶片工作效率的风轮风载荷等效系数计算方法。应用该方法对某1.5 MW水平轴风力机进行计算,并与商用软件Bladed的计算结果进行比较,结果表明,该方法能够满足风力机风载荷计算的要求,是一种精度较高、适于工程应用的方法。     

基于压力表示法的水平轴风力机风轮气动弹性稳定性模型及应用

该文对影响水平轴风力机气动弹性稳定性的物理机理进行了分析，对国内外的研究方法进行了阐述。建立了基于压力表示法的水平轴风力机风轮气动弹性稳定性敏感性分析方法的物理与数学模型，综合考虑了风力机风轮的气动与结构参数对气动弹性稳定的影响。以600kw水平轴风力机风轮为例，对其气动弹性稳定性进行了分析与研究，获得了该风力机的气动弹性稳定性裕度和工作范围。考虑到风力机三维流动、风轮与塔架的藕合以及来流湍流和阵风等来流工况的复杂性，该分析模型目前还没有将上述因素考虑在内。若均考虑在内，则其能够提供较高的气动弹性稳定性预测精度。     

离心载荷对小型风力机叶片模态特性影响分析

以300 W小型水平轴风力机风轮为研究对象,建立风力机模型,针对叶片结构进行动态特性有限元分析,主要通过模态分析研究离心载荷对叶片固有频率的影响。结果表明:通过比较模拟与实验值发现误差小于3%,振型节点在0.2R、0.58R、0.79R、0.88R(R为叶片长)。叶片所受离心载荷增加会导致叶片各阶动态固有频率上升,同时其挥舞振型对应的固有频率受载荷影响较大;离心载荷使叶片受到离心刚化作用,从而会使得叶片截面刚度上升,引起叶片动态固有频率升高。     

风能利用技术讲座(三)风力机的基本结构

风力机是把风的动能转换成机械能的机械设备。风力机通常由风轮、对风装置、调速（限速）机构、传动装置、作功装置、储能装置、塔架及附属部件组成。本讲以水平轴升力型风力机为例，介绍风力机的基本结构。１风轮风轮是风力机最重要的部件，它是风力机区别于其它动力机的主要标志。其作用是捕捉和吸收风能，并将风能转变成机械能，由风轮轴将能量送给传动装置。风轮一般由叶片、叶柄、轮毂及风轮轴等组成（图１）。叶片横截面形状有３种：平板型、弧板型和流线型。风力发电机叶片横截面的形状，接近于流线型；而风力提水机的叶片多采用弧板…     

基于一种新的优化方法的水平轴风力机风轮设计软件

提出了一种用于水平轴风机风轮设计的软件。该软件的主要目的是为风力机设计者提供一种灵活的集成设计环境，其核心是一个水平轴风机的气动优化过程。该过程基于一种改进的叶素理论，它采用一个有限叶片的旋涡系，因此叶片数量的影响被考虑进行并可得到更精确的气动力。     

Application of axial fan theory to horizontal‐axis wind turbine

In this work a simple method is developed to evaluate the design parameters of a horizontal‐axis wind turbine (HAWT). The method applies the available data of an axial fan to a HAWT for the same arc profile blade in both machines. The method is illustrated by a numerical example with a complete design procedure in which the pitch angle and the chord of the blade are calculated. These calculated results agree with the measured data of a commercial HAWT blade. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

风力机旋转风轮振动模态分析

对水平轴风力机旋转风轮振动模态计算分析方法和影响固有频率计算结果的因素进行了研究。应用多体动力学的方法，探讨了旋转叶片动力刚化效应产生的原因；考察了叶片动力刚化效应以及玻璃钢／复合材料的各向异性性质对叶片振动模态的影响；通过自行开发的前处理软件建立叶片实体模型，运用ANSYS结构分析软件对所设计的600kW风力机旋转风轮的振动模态作了仿真分析，得到了风力机复合材料叶片动力刚化效应振动模态数值分析结果，并对结果进行了分析比较。     

汽轮机叶轮强度计算方法

叶轮强度分析计算是汽轮机结构设计应用的一个关键环节,对汽轮机转子的安全运行和全寿命管理具有非常重要的意义.采取弹性力学按位移解的方法,根据微元体力的平衡方程、几何方程和物理方程,可计算出叶轮强度.该方法与其它计算方法相比,简便可行,在工程实际中具有一定的实用价值.     

Impact of aerodynamic modeling on seakeeping performance of a floating horizontal axis wind turbine

Over the last decade, several coupled simulation tools have been developed in order to design and optimize floating wind turbines (FWTs). In most of these tools, the aerodynamic modeling is based on quasi‐steady aerodynamic models such as the blade element momentum (BEM). It may not be accurate enough for FWTs as the motion of the platform induces highly unsteady phenomena around the rotor. To address this issue, a new design tool has been developed coupling a seakeeping solver with an unsteady aerodynamic solver based on the free vortex wake (FVW) theory. This tool is here compared with the reference code FAST, which is based on the BEM theory in order to characterize the impact of the aerodynamic model on the seakeeping of a floating horizontal axis wind turbine (HAWT). Aerodynamic solvers are compared for the case of the free floating NREL 5MW HAWT supported by the OC3Hywind SPAR. Differences obtained between the models have been analyzed through a study of the aerodynamic loads acting on the same turbine in imposed harmonic surge and pitch motions. This provides a better understanding of the intrinsic differences between the quasi‐steady and unsteady aerodynamic solvers. The study shows that differences can be observed between the three aerodynamic solvers, especially at high tip speed ratio (TSR) for which unsteady aerodynamic phenomena and complex wake dynamics occur. Observed discrepancies in the predictions of the FWT dynamic response can raise issues when designing such a system with a state‐of‐the‐art design tool.     

基于时域积分的水平轴风力机风轮噪声预测理论及应用

给出了考虑水平轴风力机风轮厚度噪声与负荷噪声的延迟时形式的时域积分解及其噪声预测理论。基于Ffowcs Willians-Hawkings声学方程，减少了偏导数项的求解，提高了计算速度，避免了声学计算中的奇异性问题。对小型水平轴风力机FD2-300在3个方向的辐射噪声进行了预测，得到了声场各种源成分的噪声的分布与指向性规律。计算结果表明：在风轮的旋转平面，具有最大的总噪声级的指向性，负荷噪声在旋转平面以及风力机下游起着主导作用。对于600kW大型水平轴风力机进行了局部区域的噪声现场测量，并且与预测值进行了对比。结果表明：模型的预测结果与测试数据比较符合，且变化趋势一致，在整个测量区域，预测值比测量值低，这是由于计算模型只考虑到风力机叶片的负荷噪声与厚度噪声，对于实际运行的风力机来说，其辐射的总噪声除了与叶片的负荷、厚度有关，还与非定常来流、叶片本身的非定常性和气流粘性有关。若以该文建立的模型进一步考虑风力机的非定常性和粘性效应，将提高其预测准确性，在风力机整体优化设计以及噪声控制方面提供理论指导。     

Downwind pre‐aligned rotors for extreme‐scale wind turbines

Downwind force angles are small for current turbines systems (1–5 MW) such that they may be readily accommodated by conventional upwind configurations. However, analysis indicates that extreme‐scale systems (10–20 MW) will have larger angles that may benefit from downwind‐aligned configurations. To examine potential rotor mass reduction, the pre‐alignment concept was investigated a two‐bladed configuration by keeping the structural and aerodynamic characteristics of each blade fixed (to avoids a complete blade re‐design). Simulations for a 13.2 MW rated rotor at steady‐state conditions show that this concept‐level two‐bladed design may yield 25% rotor mass savings while also reducing average blade stress over all wind speeds. These results employed a pre‐alignment on the basis of a wind speed of 1.25 times the rated wind speed. The downwind pre‐aligned concept may also reduce damage equivalent loads on the blades by 60% for steady rated wind conditions. Even higher mass and damage equivalent load savings (relative to conventional upwind designs) may be possible for larger systems (15–20 MW) for which load‐alignment angles become even larger. However, much more work is needed to determine whether this concept can be translated into a practical design that must meet a wide myriad of other criteria. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.