尾缘厚度对风力机翼型气动特性影响参数化研究

该文拟从气动性能角度考察钝尾缘厚度对风力机翼型气动特性的影响.采用美国NREL带有试验数据的风力机专用翼型S814和S827,通过XFOIL软件对翼型尾缘厚度参数化处理.在最大厚度、弯度和弦宽不变的条件下,尾缘厚度相对于弦长在0.5%～5.0%范围变化.数值计算分析认为,尾缘厚度在一定范围增大时,翼型升力系数有明显提升,同时阻力系数也持续增大,升阻比则呈先增后降趋势,研究翼型尾缘厚度在1.5%(相对弦长)附近其升力系数和升阻比同时达到最佳.研究结论可供风力机叶片设计时量化参考.     

尾缘襟翼对风力机翼型气动特性影响研究

尾缘襟翼(TEF)因其对翼型气动特性的调控能力,被认为是降低叶片疲劳和局部载荷最具可行性的气动控制部件。对TEF进行建模,采用Xfoil和CFD软件分析了TEF对翼型气动特性的影响及其机理,并从叶素理论角度对变化来流下TEF的减载效果进行了验证,结果表明:TEF位于不同摆角时翼型升阻力系数均有不同程度的变化,TEF可有效实现对翼型气动特性的主动控制;TEF摆动改变了翼型表面的静压分布和流动状态,进而对翼型升阻力和失速攻角产生影响;TEF可快速有效降低风速突然增加后的叶素受力,进而控制并减小叶片载荷。     

尾缘修剪对风力机翼型气动性能的影响

对S809和S805 2种厚度不同的翼型进行尾缘修剪,采用翼型设计分析软件Xfoil对修剪前后翼型的气动性能进行计算,研究了不同程度尾缘修剪对翼型气动性能的影响,并采用CFD数值模拟方法进行流场特性分析.结果表明:尾缘修剪后会引起翼型在附着流区升力系数减小,最大升阻比减小,减小程度随着修剪程度的增加而加剧;对于厚度不同的翼型,尾缘修剪对其影响的主要区别在于失速区较厚翼型阻力系数减小,较薄翼型升力系数增大;翼型表面压力系数因尾缘修剪而发生改变,较厚翼型压力分布变化较为明显;尾缘修剪对尾流的扰动会影响翼型表面其他部位的流动,进而影响翼型气动性能.     

YD-大厚度风力机翼型粗糙敏感度试验研究

基于YD-系列3个大厚度钝后缘风力机翼型（相对厚度35%、40%和60%）,在西北工业大学NF-3低速翼型风洞开展粗糙敏感度对翼型性能影响的试验研究。结果表明,前缘粗糙对大厚度翼型的性能影响很大,造成升力线斜率和最大升力系数急剧减小,吸力面后缘流动的提前分离。     

基于RANS方程大型风力机翼型钝尾缘修型气动性能计算

通过耦合求解二维定常RANS方程和基于线性稳定性分析的转捩预测程序,计算了DU97-Flat翼型的气动性能并与实验结果进行比较,结果表明该文方法可进行有钝尾缘厚度翼型的气动性能计算。使用耦合求解方法,以DU97-W-300翼型为例,计算几种常见的风力机翼型钝尾缘修型方法(直接截断、对称加厚、不对称加厚和翼面旋转等)得到的钝尾缘翼型的气动性能,并分析各种修型方法对气动性能的影响。结果表明:直接截断修型方法并未增加此翼型的升力系数但对阻力增加的影响最小;不对称增加厚度引起的升力系数增加最明显,但会引起翼型使用角度区域的移动;通过指数因子形式对称增加时,指数因子在1.8～2.5之间较适中。     

弧形锯齿尾缘对叶片气动噪声影响及机理的研究

以弧形锯齿尾缘叶片为研究对象,同时设置三角形锯齿尾缘和直尾缘叶片作为参照组,采用大涡模拟结合声类比方程的方法,对比分析不同攻角下3种叶片的声压级指向性、噪声频谱特性。通过分析3种叶片周围涡结构,进一步对弧形锯齿尾缘所特有的声学机理进行研究。结果表明：同三角形锯齿一样,弧形锯齿结构并未改变叶片声压级指向性呈偶极子分布的规律;弧形锯齿尾缘有效降低中高频段的噪声,低频段降噪效果不明显;锯齿结构影响尾缘处展向涡的发展,进而对叶片气动噪声产生影响,且弧形锯齿尾缘对尾部涡结构的影响程度大于三角形锯齿尾缘。     

USST高性能水平轴风力机翼型族

结合层流翼型与钝尾缘的特性,通过Hicks-Henne型函数对翼型参数化修型,基于多岛遗传算法及Xfoil气动分析,针对大型水平轴风力机翼型进行多目标函数、多设计工况、多约束条件下的优化设计,得到适用于大型风力机的高性能翼型族（USST翼型族）。其升阻比在大多数攻角下均高于同厚度的FFA、DU系列等现有风力机翼型族,且在同样的升力系数下具有更大的升阻比。最后为考核优化设计得到的翼型族,采用数值模拟方法对优化结果进行验证,证明设计得到的新型风力机翼型族具有优越的气动性能。     

尾缘厚度对涡轮叶栅流场的影响

现代汽轮机叶片的制造对尾缘厚度的要求非常苛刻,为了研究尾缘厚度对平面叶栅气动性能的影响,本文采用数值计算的方法对某现有的静叶和动叶叶栅,及在原始叶型的基础上将尾缘的厚度增加50%和200%的两对改进叶栅,进行了详细地分析。计算结果表明,随着尾缘厚度的增加,叶片通流面积沿流动方向的收敛程度略微减少,在前缘附近载荷减小,相当于载荷后移,同时尾迹宽度相应的增加,叶栅出口流动角度减小,叶栅损失增加。研究结果对理解和掌握尾缘厚度对涡轮叶栅流场的影响具有重要参考意义。     

风电叶片低粗糙敏感性厚翼型优化方法研究

基于叶片设计需求,将厚翼型设计点性能随前缘粗糙的敏感性参数化并引入到厚翼型设计中,改进其优化模型;结合翼型几何设计、性能分析以及最优化算法建立厚翼型低粗糙敏感性优化设计方法。通过35%相对厚度翼型案例设计,验证了该方法在实现光滑表面下高气动性能的同时,可有效降低粗糙表面下的性能损失。     

大粗糙度弦向分布对风力机气动性能影响

针对5 mm大尺度蚊虫尸体在叶片上的附积问题,采用带转捩的k-ω SST湍流模型,以NERL Phase VI风力机为研究对象,从不同弦向覆盖位置入手,对大粗糙度下风力机气动性能进行数值模拟。研究结果表明,粗糙度对风力机整体做功具有较大影响,粗糙度越大效率降低越显著;粗糙度使在叶片靠近叶尖位置的吸力面促成小型低压涡,转捩提前;该效应在大尺度粗糙条件下表现明显,附着涡强度也更大;在叶片压力面添加75%c粗糙度会使翼型产生的气动损失最大。     

铺层材料单层厚度对风力机叶片低阶模态频率的影响分析

针对大型风力机叶片铺层材料单层厚度对叶片模态频率的影响作用,对铺层材料单层厚度间的耦合机制进行研究。采用Box-Behnken法设计实验,建立叶片铺层单层厚度与其第一阶模态频率间的响应面模型,揭示叶片不同铺层材料单层厚度对模态频率的影响规律。以叶片前两阶模态频率为优化目标、以铺层材料单层厚度为设计变量建立优化数学模型,并采用遗传算法与有限元法结合进行全局寻优。以某企业1.5 MW叶片为算例,结果表明,优化后叶片第一阶挥舞、摆振频率均提高了0.07 Hz。     

海上浮式水平轴风力机气动特性研究

以NREL-5MW风力机为研究对象,基于叶素动量理论,考虑动态失速、风剪切及塔影效应等气动修正模型,开发Matlab非定常气动载荷计算程序,研究浮式水平轴风力机气动特性.结果表明:为保证风力机气动载荷模拟的正确性,气动修正模型必不可少;基础运动对风力机气动性能有显著影响,基础运动使风力机输出功率增大,但同时存在较大的振...     

适用于风力机的新翼型气动性能的实验研究

对适用于风力机的新翼型FFA W3 211和FFA W3 360进行了风洞实验研究,得到了两种翼型在不同雷诺数下的气动性能及其在大攻角下的失速特性。实验结果与采用低雷诺数翼型分析和设计软件XFOIL的计算结果进行了比较,其最大升力系数对应攻角偏差小于1,在-10°～+18°范围内,升力系数的平均相对偏差为5 1%,两种结果的一致性很好。     

表面粗糙度对风力机翼型性能的影响

讨论了风力机专用叶片上局部增加表面粗糙度，在不同分布位置、不同当量大小的条件下对叶片气动性能影响的实验研究。首先，探讨了叶型表面粗糙度的形成机理和对气动性能影响的初步原理。其次，设计了在风洞实现局部增加表面粗糙度对翼型性能影响的实验条件和实验方案。最后，对风力机专用叶型进行的叶片表面局部增加粗糙度的风洞实验，结果证明了在叶片压力面尾缘通过适当增加一定宽度、一定粗糙度的粗糙带可以增大叶片的有效升力系数。     

基于加装叶尖小翼风电机组发电量提升试验研究

针对老旧风电场由于风电机组风轮和风资源未能很好匹配等原因导致的发电量不理想问题,提出一种基于加装叶尖小翼风电机组发电量提升方法,该方法在增加叶片扫掠面积的同时有效改善叶片的气动性能。通过加装叶尖小翼增加叶尖部分切向力,增加主轴扭矩从而提高风轮吸收功率,达到提升发电量的目的。基于风电场实际试验数据对提功增效效果进行分析,结果表明所提方法在满足安全性的前提下可有效提高机组输出功率,提升发电量。同时该方法成本低,展现了良好的性价比。     

限功率控制下风电机组叶片疲劳损伤研究

基于叶素-动量理论计算风电机组叶片气动载荷,建立其疲劳载荷模型;将叶片简化为悬臂梁,采用雨流计数法、Goodman经验公式和Miner线性累计损伤理论计算风力机叶片疲劳损伤和等效疲劳载荷;根据2种限功率控制策略计算不同限功率水平和湍流强度下风力机叶片单位时间的疲劳损伤量,分析限功率运行工况对叶片疲劳损伤的影响。结果表明,新型限功率控制策略可减少变桨系统的动作频率和动作幅度,但其稳定运行状态对叶片的疲劳损伤量大于传统限功率控制策略。最后通过三维函数拟合得到疲劳损伤函数,可应用于限功率条件下风电场优化调度。     

基于Frandsen尾流半径假设的风力机尾流模型研究

在Frandsen非线性尾流半径假设的基础上,推导得出考虑环境湍流强度和风力机推力系数影响的Frandsen高斯修正尾流速度模型,并提出Frandsen双高斯湍流强度模型。以600 kW单风力机为案例,通过开展风洞试验和大涡模拟2种研究手段验证2个修正模型的预测效果。结果表明,Frandsen高斯修正尾流速度模型在径向尾流上预测效果更好,模型平均误差下降至7%,优于Frandsen速度模型。Frandsen双高斯湍流强度模型则能更好反映实际湍流强度在尾流场的变化特征。2种修正模型均比传统模型具有更好的预测效果,为风力机设计提供了新的尾流模型。