TMT40.3大型风力机叶片气动性能分析

基于BLADED软件平台,对TMT40.3大型风力机叶片的气动性能进行了分析.分析结果表明:TMT40.3大型风力机叶片应用在GL3A风场时的额定功率能达到1 650 kW,所承受的疲劳强度和极限载荷均能满足该款风力机叶片的设计要求,在叶尖速比为7.8～11.4的风能利用系数均在0.46以上,最高可达0.486,具有较好的气动性能和较宽的风速适应范围.     

考虑停机位置风力机塔架-叶片耦合体系风致稳定性能分析

强风停机状态下叶片位置会显著影响风力机塔架的绕流及稳定性能。以南京航空航天大学自主研发的3 MW水平轴风力机为研究对象,采用CFD方法对叶片单个旋转周期间8个停机位置下风力机塔架-叶片体系的流场进行数值模拟,并与规范曲线进行对比验证数值方法的有效性。此外,结合有限元方法计算不同停机位置下风力机体系动力特性、静风响应、屈曲稳定性能和极限承载力。在此基础上,提炼出停机状态下叶片位置对风力机体系风致响应和稳定性能的演化规律,归纳总结出此类风力机体系风致失稳破坏的最不利控制工况。研究表明:在风力机叶片的1个旋转周期内,当叶片与塔架完全重合(即工况1)时,体系气动性能最差但静风响应较小;随着叶片顺时针旋转,其风致稳定性能呈现先增大后减小的规律,在工况3处其临界失稳风速达到最大,在工况6处临界失稳风速最小。同时研究发现:风力机塔架与叶片的耦合效应会产生一种能显著提高体系极限承载能力的"逆向效应",并且随着叶片对塔架遮挡面积的减小,该"逆向效应"愈加显著。     

考虑叶片旋转和离心力效应风力机塔架风振分析

为分析叶片旋转和离心力效应对风力机塔架风振反应的影响,建立考虑叶片离心力效应的风力机塔-轮整体有限元模型分析系统动力特性,采用谐波叠加法和改进的叶素动量理论模拟考虑旋转效应的叶片和塔架脉动风速时程,结合笔者提出的风振精细化频域计算方法分析塔架与叶片在脉动风作用下的动力反应。研究表明:旋转效应会增大叶片的气动载荷和塔架的动力响应及风振系数,离心力效应增大了风力机系统频率并减小了塔架的风振反应及风振系数。     

新型随动变桨垂直轴风力机气动性能的数值分析

文中研究目的是开发一种使垂直轴风力机自启动能力强、风能利用率高的随动变桨技术,此变桨技术的原理是在不需添加任何外加动力的情况下,利用风力机主轴旋转的同时带动风力机叶片的旋转,且保持主轴的旋转角速度是叶片旋转角速度的2倍。通过运用数值模拟的方法,得到了该新型随动变桨垂直轴风力机的气动参数值及特点;并分别将其与传统垂直轴风力机、理想直叶片垂直轴风力机的气动参数进行了对比分析,分析结果表明:新型随动变桨垂直轴风力机的气动性能优于其它两种类型风力机。     

大型风力机塔架-叶片体系风振与地震作用对比研究

为研究风荷载和地震作用对大型风力机不同部件的影响程度,建立某3 MW水平轴风力机塔架-叶片一体化有限元模型,通过CFD数值模拟获得风力机表面风压系数并作为风荷载输入参数,同时进行7度地震烈度作用下的反应谱分析。对比研究表明:叶片受风荷载控制,其在风荷载作用下的叶尖位移和叶根弯矩均明显大于地震作用下的数值;塔架由风荷载和地震作用共同控制,风荷载作用下弯矩值均沿高度方向逐渐增加,地震作用下径向与环向弯矩最大值出现在接近塔顶高度处;风荷载作用下塔底环向弯矩及径向与环向轴力均明显大于地震作用,但地震作用下塔底径向和竖向弯矩及剪力稍大于风荷载作用下的数值。     

垂直轴风力机变桨控制策略及气动性能影响研究

以H型Darrieus垂直轴风力机为研究对象,基于不同尖速比下攻角随相位角变化规律,提出一种俯仰角控制策略,即攻角较大时俯仰变化幅值较大,而攻角较小时幅值较小。通过数值计算了解此控制方式对气动性能的影响规律,分析变桨后不同旋转角度下风力机涡量场的变化,并讨论气动载荷变化的原因。结果表明：所提俯仰角控制策略可显著增强风力机功率系数,且尖速比较低时提升效果越显著,在TSR为1.25时功率系数提升高达146%。     

大型风力机液压变桨机构建模分析

对大型风力机液压变桨距机构进行建模并对其工作特性进行深入分析。仿真结果表明,该模型真实反映了风力机在风速高于额定风速时液压变桨距机构的动态特性,为深入研究风力机的功率控制和最大能量捕获提供了可能。     

变速变桨风力机叶片载荷控制策略

针对变速变桨风力机叶片受力特点,提出叶片载荷控制策略。将叶片载荷分为静态和动态两部分。静态部分采取单神经元PID控制器对桨距角和电机转矩进行控制;动态部分采取多叶片坐标转换理论将变量从旋转坐标系转换到固定坐标系,再将力矩转换为桨距角,然后通过多叶片坐标逆变换将控制得到的参数转换为旋转坐标系中的参数。最后将动态部分的参数值和静态部分的单神经元PID控制器的输出桨距角相加,一起构成风力机变桨所需的控制值。采用风力机专业软件Bladed开发外部控制器,并对控制策略进行仿真研究。将外部控制器和内置控制器的控制性能进行了仿真对比,仿真结果表明:外部控制器能够有效降低叶片根部的倾斜力矩和叶片拍打力矩,外部控制器的控制性能更优,验证了所采用的叶片载荷控制策略的正确性。     

大型风力机叶片气动噪声研究

首先利用SST k-ω湍流模型验证设计叶片在额定运行工况下的气动性能。然后运用大涡模拟(LES)和Lighthill声类比相结合的方法,模拟额定工况下叶片径向5个截面的气动涡流噪声,并确定声源分布,分析声传播特性,进而提出降低风力机气动噪声的措施。研究表明叶片尾缘是其主要声源部位;传播过程中近场受尾流影响明显,而远场基本不受影响;相对风速对于噪声的影响远大于攻角影响。     

新型变桨立轴风力机涡效应分析

该文旨在通过变桨来改善升力型立轴风力机叶片气动特性,提高风力机最大运行效率。针对设计尖速比下风能利用系数较低的问题,提出减小叶片小攻角范围,增大叶片大攻角工作范围,以重点改善叶片低性能区域的气动特性为出发点,提高风能利用系数新变桨思路。以采用NACA0012翼型、2 m高和2 m旋转直径的两叶片H型风力机为研究对象,从涡理论来分析和比较在最佳尖速比为5的条件下,附着涡、尾随涡、脱体涡和桨距角对攻角、切向力和功率输出的影响规律。研究结果表明:变桨后,叶片的攻角、切向力和输出功率在原最大值两侧均有明显提高,拓宽了叶片高性能的工作区域;涡系中脱体涡对叶片气动特性影响最大,其中在上盘面影响较小,在下盘面影响较大;变桨前后涡系对上盘面的差异较小,对下盘面的影响差异较明显;变桨后,下盘面的叶片的涡尾迹弯曲程度在加大。     

考虑叶片桨距角和干扰效应的大型风力机体系风致效应研究

以某5 MW大型风力机为对象,首先基于大涡模拟(LES)技术进行考虑不同叶片桨距角影响的大型风力机体系非定常流场和气动力模拟,并与规范及实测结果进行对比,验证大涡模拟的有效性。在此基础上,结合有限元方法系统分析不同叶片桨距角下风力机塔架-叶片耦合体系的动力特性、风振响应、屈曲稳定性能和极限承载能力。研究表明:0°叶片桨距角下塔架显著干扰区段迎风面0°处出现负压,叶片顺风向位移响应极值最大值为3.98 m。随着叶片桨距角的增大,塔顶径向位移、各叶片顺风向位移和叶根剪力的均值和均方差均呈逐渐减小的趋势,且叶片桨距角在30°～50°范围内出现显著变化。叶片桨距角为0°时风力机体系风致响应最为不利,当叶片桨距角为90°时,体系屈曲性能和极限承载力最为不利。     

垂直轴风力机新型变桨控制策略参数组合气动分析

低尖速比下垂直轴风力机攻角一般较大,流动分离现象较严重,可通过变桨调整叶片攻角以减少叶片流动分离提高其气动效率。以H型Darrieus垂直轴风力机为研究对象,基于攻角随相位角变化规律,提出一种俯仰角控制策略,此控制方式特点是在不同相位角时攻角成比例地减小,在大攻角时大幅减小攻角,而在小攻角时变化幅度较小,之后通过数值计算验证其效果。结果表明：所提俯仰角控制策略可显著提升功率系数;相较单一参数控制策略,不同参数组合的控制策略方式虽然在0°～180°（迎风区）与180°～360°（背风区）的风能捕获效率会相互影响,但提升效果也更好。此外,不连续的俯仰角速度将导致扭矩波动,通过采用权函数对俯仰曲线进行拟合可消除该波动。     

新型变桨风力机结构设计与性能分析

为满足分布式电网发展要求,提高小型风力机风能利用率,防止大风条件损坏风力发电设备,文章设计了一种应用于小型风力机的新型主动统一变桨调节装置。文章介绍了装置的基本构造与工作原理,利用熔融沉积3D打印技术制作小比例模型验证了变桨装置的可行性,并通过数值模拟方法对功率输出性能及风轮载荷进行了模拟分析。模拟结果表明:通过适当调节桨距角大小,可有效控制风力机输出功率保持在额定功率值附近,且高转速条件下增大桨距角对功率输出性能有较强抑制作用;叶片应力集中区域主要在叶根及叶片中部靠近前缘部位,在功率调控过程中,随着桨距角与风速的增加,应力集中区域由叶中向叶根转移,最大应力值总体呈下降趋势。     

变桨距风力机叶片的气动优化设计

首先利用Wilson方法进行叶片的外形初步设计,然后以设计攻角作为变量,以额定风速下功率系数最大为优化目标,建立了1 MW变桨距风力机叶片气动外形优化模型,采用遗传算法进行了优化再设计。通过对3叶片1 MW风力机进行的气动性能评价结果表明,优化后的风力机具有更好的气动性能,说明采用该优化方法进行变桨距风力机设计具有明显的优越性。     

小型变桨风力机启动性能研究

为研究某小型水平轴变桨风力机的启动性能,通过搭建风力机风洞试验台,分析不同桨距角对风力机静态扭矩、转速以及启动风速的影响,同时通过数值模拟仿真结果结合理论分析,研究风力机启动时桨距角变化过程中的相关气动性能。结果表明：风速分别保持在3～6 m/s不变时,随着桨距角的增加,风轮静态扭矩值呈先增大后减小的趋势,50°桨距角下的静态扭矩约为10°桨距角下静态扭矩的2.2倍;风轮静止时表现出与高速旋转状态下截然相反的气动性能,叶片叶根区域为启动扭矩主要动力产生区域;桨距角越小,叶根区域流动分离现象越明显,且分离点越靠近前缘,气动性能越差;40°桨距角时,可兼顾最小的启动风速和较大的旋转速度,测得最低启动风速为3.7 m/s。     

风力机变桨故障叶片双向强流固耦合研究

为探究大型水平轴风力机达到切出风速停机后变桨故障叶片在多物理场高度耦合作用下的气动特性和结构响应,基于计算流体力学及有限元法相结合的双向强流固耦合方法对NREL 5 MW风力机变桨故障叶片和变桨成功叶片的气动侧与结构侧状态进行对比分析。结果表明：叶片在双向强流固耦合下的挥舞力矩比无流固耦合下的挥舞力矩波动范围明显更大,且切出风速下变桨故障叶片挥舞方向的最大气动力矩及叶尖位移分别为变桨成功时的13.8倍和14.1倍,同时变桨故障叶片出现瞬态屈曲失稳现象。     

风力机叶片翼型气动性能数值模拟

采用数值模拟方法对NACA23012,NACA4412,S809,S810等4种常用风力机叶片翼型进行了研究,分析了翼型静止与振荡时的气动性能.随着攻角的增加,静止翼型的升力系数先增大后减小,其阻力系数一直增大,显示出NACA4412翼型具有较好的低风速启动性能;振荡翼型的升力系数随着攻角的变化呈现一个闭合迟滞环曲线,显示出振荡翼型S809的动态失速迟滞效应最为明显.文章参照模拟结果和对比试验数据,验证了数值模拟的可靠性.     

风力机双层叶片式翼型气动性能

为了提高风力机的发电效率,优化风机叶片的翼型,以NREL研发的S809翼型为优化对象,设计了双层叶片翼型模型,利用Auto CAD软件建立了双层叶片翼型的几何模型。采取计算流体力学方法(CFD方法),对0~25.21°等26个攻角下双层叶片翼型进行气动计算,对其附近流场的流线图、压力分布云图、压力系数分布进行了分析,并与S809基准翼型进行了比较。结果表明:双层叶片翼型使叶片在不增加翼展的情况下增大升力;相比S809基准翼型,双层叶片翼型将失速攻角增加了6°;最大升力系数在S809翼型1.059的基础上增大到了1.363,研究结果为今后双层叶片翼型的研究打下了基础。     

切出风速下风力机变桨故障叶片气动特性及准静态结构响应分析

为探究大型水平轴风力机达到切出风速停机后变桨故障叶片的气动特性及准静态结构响应,基于计算流体力学方法对NREL 5 MW风力机变桨故障/成功叶片气动侧状态进行分析,并利用双向弱流固耦合及曲屈分析对典型方位角下变桨故障叶片展开研究。结果显示：切出风速下变桨故障叶片挥舞力矩平均值为变桨成功叶片的13.8倍,且前者的流场尾迹更为明显。此外,180°方位角变桨故障叶片较之0°方位角变桨故障叶片应力及叶尖位移分别减小29.8%和32.7%,一阶屈曲因子增加20.2%。