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。     

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。     

风力机叶片气动载荷的优化研究

为了研究垂直轴风力机的叶片气动性能,利用流固耦合法模拟了垂直轴风力机在实际工况下的气动载荷分析,模拟结果表明,由于翼型后部较薄,受到的变形应力最大。为了避免因叶片变形而引起风力机整体气动性能下降,提出了通过加大翼型后部厚度的方案来提高叶片的强度,并通过数值模拟对改进后的翼型做了气动性能分析,得出了适当的增加翼型后部厚度,并不会对翼型气动性能造成太大的影响,验证了此方案的有效性。这些研究结论为今后垂直轴风力机的设计制造提供了一定的参考依据。     

水平轴风力机叶片翼型的气动特性数值模拟

为了直观形象地探讨水平轴风力机叶片翼型的气动特性,利用计算流体力学软件FLUENT对水平轴风力机叶片常用翼型FFA-W3-211,FFA-W3-301和NACA63-215进行了数值模拟,并与试验数据进行对比和分析,验证数值模拟的可靠性。有利于了解风力机翼型的气动性能,为风力机叶片翼型选型和叶片翼型设计和研发提供重要依据。     

风力机叶片设计及翼型气动性能分析

叶片作为风力发电机最关键的部件,其气动特性好坏对于风力发电至关重要。以750 k W风力机叶片为例,采用Wilson设计方法对叶片进行设计。在此基础上,应用流体计算软件CFD对所选翼型进行气动分析,得出翼型表面压力随攻角变化关系。该方法可提高风力机叶片等复杂曲面的建模效率并可对叶片后续的气动性能分析奠定基础。     

基于气动性能与刚度特性的风力机翼型优化设计

结合翼型泛函集成理论与叶片截面刚度矩阵数学计算模型,提出了风力机中等厚度翼型气动性能与结构刚度特性的一体化设计方法,实现了翼型气动性能与叶片截面刚度特性的同时提高。对考虑叶片截面铺层参数变化设计的WQ-B300翼型与DU97-W-300翼型进行了气动性能与结构刚度特性对比分析,结果表明:相比于DU97-W-300翼型,WQ-B300翼型的气动性能与叶片截面刚度性能均有显著提高,其挥舞刚度和摆振刚度分别提高了6.2%和8.4%,验证了该设计方法的可行性,给风力机中等厚度及大厚度翼型设计提供了一种思路。     

风力机翼型气动噪声优化设计研究

为获得高升阻比、低噪声水平的风力机翼型,将气动噪声引入到风力机专用翼型的设计中.为评价翼型气动噪声水平,对翼型自身噪声进行讨论和研究,应用NASA基于大量试验而得到的翼型自身噪声模型进行建模.采用型函数扰动法对翼型廓线进行表示,以翼型自身噪声水平作为优化目标,将气动特性作为性能约束,建立翼型的优化设计模型.设计过程中,采用XFOIL获取翼型边界层参数,及对翼型的气动性能进行评价.将流场求解程序和直接优化方法相结合,采用复合形法进行搜索寻优,用Matlab编制优化程序.以NACA4415作为原始翼型进行优化设计,得到一种具有高气动性能、低噪声水平的风力机专用翼型.     

钝尾缘叶片三维建模方法的研究

钝尾缘风力机翼型目前被多数用于大型风力机叶片叶根与最大弦长处,这是因为气动上,钝尾缘翼型能够提高升力系数斜率、降低翼型不敏感性;而结构上,钝尾缘翼型与相同厚度翼型相比增加了截面面积和转动惯量[1],论文依据钝尾缘特点,提出设计钝尾缘翼型方案,并以58米长度叶片为例,设计钝尾缘翼型形状,以及此区域主模型的分模方式,完成三维模型建立,为后续有限元建模及模具加工制造提供基础。     

大功率风力机叶片模态及气动特性分析

对大功率海上风力机叶片模态特性和气动特性进行研究。建立了叶片翼型截面弯扭耦合运动微分方程,通过翼型截面坐标变换和旋转拉伸在UG中建立了国产某型6MW风力机叶片三维模型,运用Ansys/Blocklanczos法计算了叶片前6阶固有模态。在Ansys/Workbench中搭建叶片流场仿真模型,讨论了风速和气动攻角等参数对叶片振动变形的影响。结果表明各阶固有模态中叶尖部位的振型相对明显,随着风速和攻角增大,相同截面位置上的叶片振动变形逐渐增大。     

基于NACA 0018翼型的两种网格类型比较研究

对于一般的CFD分析项目,网格生成约占整个前处理周期的80%~95%,网格划分质量对计算精度和收敛速度有显著影响。文中以200W垂直轴风力机叶片的NACA 0018翼型为目标,分别以两种方法对翼型及流场区域划分网格。通过对比网格质量以及Fluent中的流场仿真结果,发现结构化网格在垂直轴风力机叶片翼型流场分析中具有更高的质量,更适于做气动分析。文中的结论为叶片流场仿真奠定了基础。     

大型风力机三维建模及流固耦合分析

以2MW风力发电机为研究对象,通过翼型设计软件Profili及Matlab推导出叶片翼型三维坐标。利用UG将此三维坐标拟合成叶片截面样条曲线,扫掠曲线得到叶片三维模型,然后在UG中建立塔架和机舱模型并完成风力机模型的整体装配。应用ANSYS对风力机进行流固耦合分析,得到了风力机在空气流场作用下的压力分布情况,将此压力加载到风力机上进行静力学分析,得出风力机在空气流场下的应力、应变分布情况并结合实际应用对仿真结果进行了详细的分析。研究成果对大型风力机的结构优化设计有重要的参考意义。     

风轮叶片翼型气动特性分析水

应用CFD流体力学软件对风力机叶片常用翼型FFA-W3-211进行数值分析,得出了其升力系数、阻力系数、升阻比以及翼型表面压力随来流攻角变化关系,并依据计算结果对FFA-W3-211翼型的气动性能进行分析.     

风力机叶片设计的新方法

根据水平轴风力机转子的涡流气动模型，从能量的角度入手，考虑干涉因子和翼型阻力，提出了叶片翼型设计的一种新型计算方法。     

水平轴风力机不同叶片设计方法的研究

分析了等升力系数法、等弦长法、Glauert设计法、失速型Glauert设计法和Wilson法五种常用的风力机叶片设计方法。利用MATLAB软件编制了叶片设计和性能计算程序,分别用上述五种方法设计了300W新翼型风力机叶片,并做了气动性能的对比分析。结果表明,基于Wilson法设计的风力机叶片,气动性能最佳,且更加符合设计要求。为了进一步验证设计计算的可靠性,在内蒙古工业大学可再生能源基地,完成了用Wilson设计法设计的风力机的功率测试实验,实验结果与计算基本吻合。     

基于气弹耦合理论的风力机叶片气动与结构性能数值模拟

以动量叶素理论为基础,充分考虑叶尖损失对风轮空气动力学特性的影响,建立了新的风力机叶片气动性能分析模型。基于结构动力学原理,建立了风力机风轮旋转工作条件下叶片的结构性能分析模型。通过研究风力机叶片在其载荷特征作用下的变形对风场来流的影响,耦合叶片的气动及结构力学模型,提出了一种旋转风力机叶片的气动与结构性能分析方法,使得风力机叶片的性能参数分析更为准确。以某5MW风力机风轮为算例,数值模拟了该风轮的气动载荷及输出功率特征,对比分析了该风轮不同风速及不同时刻条件下叶片的预弯变形及振动特性,很好的验证了提出模型的可靠性。研究结果对风力机叶片的疲劳寿命预测和振动噪声预估有着重要的理论意义。     

水平轴风力机叶片气动性能计算及影响因素分析

叶片作为风电机组的关键部件之一,其设计和可靠性直接关系到风力发电机组的安全运行,而气动性能的好坏将会直接影响到叶片外形设计及机组效率。因此,对叶片进行气动性能计算和数值模拟成为必要。根据动量叶素理论建立风力机叶片气动计算模型,考虑到叶尖损失,叶根损失,叶片宽度和厚度等因素的影响对该模型进行修正。用MATLAB语言编制计算程序,针对某一具体翼型数据进行了气动性能的计算,分析了风轮实度、安装角、锥角以及偏航等因素对叶片气动性能的影响。     

随机风况下风力机翼型结冰对气动特性的影响研究

风力机叶片表面结冰会影响风力机风能吸收效率及安全性。采用计算流体力学(CFD)可以模拟叶片表面结冰过程及其对风力机气动性能的影响。但传统的CFD模拟不能考虑来流风况的随机性。本文采用FENSAP软件模拟了NREL S825翼型表面的结冰过程,采用雷诺平均NS (RANS)模拟研究了结冰对该翼型气动特性的影响。为了研究来流风况的随机性对结冰过程及翼型气动特效的影响,基于概率配置点的非嵌入式多项式混沌方法与RANS模拟进行耦合,研究来流风速和攻角为高斯分布的随机参数时翼型表面冰型的变化,获得了冰型变化的统计特性,以及结冰后翼型气动性能的响应特性。研究结果表明,较洁净翼型相比,结冰后的翼型气动性能下降严重。与攻角的波动相比,来流风速的不确定波动对结冰后翼型的气动性能影响更大。大攻角下,确定性计算会低估攻角对结冰的影响,进而低估对升力系数的影响。风速和攻角的耦合作用削弱了不确定性对气动特性的影响。     

相对厚度对DU系列翼型气动性能的影响

针对翼型的相对厚度对翼型气动性能影响,以相对厚度分别为21%、25%、30%、35%的DU21、DU25、DU30、DU40四种翼型作为研究对象,采用网格划分软件Gambit对翼型流场划分网格,采用Fluent14.0对翼型进行气动性能分析,研究了相对厚度对翼型气动特性的影响规律。研究表明,翼型的气动性能受翼型相对厚度的影响较大,翼型最大升阻比随翼型的相对厚度增大而减小,翼型的最大升力系数及失速攻角随相对厚度的增大而增大。研究结果对后续的风力机叶片的设计和叶片优化具有一定的参考价值和指导意义。     

风轮叶片翼型气动特性分析

应用CFD流体力学软件对风力机叶片常用翼型FFA-W3-211进行数值分析,得出了其升力系数、阻力系数、升阻比以及翼型表面压力随来流攻角变化关系,并依据计算结果对FFA-W3-211翼型的气动性能进行分析。     

钝尾缘翼型对5MW风力机性能影响的研究

目前国内外对钝尾缘翼型的研究主要集中于翼型的改进方式与二维气动性能的模拟,对钝尾缘翼型应用于风力机时对其性能影响的研究较少,然而钝尾缘翼型应用于风力机时由于旋转效应的存在叶素翼型之间会发生相互影响。为了更好的研究钝尾缘翼型,了解钝尾缘翼型对风力机性能的影响,对NREL 5MW风力机叶片内侧翼型进行对称钝尾缘修型,分析二维翼型气动性能,发现一定范围内,翼型的升力系数、升阻比均随尾缘厚度的增加而增大。对原风力机进翼型替换,模拟并对比两类风力机的性能,研究表明改型后风力机的输出扭矩高于原机,而且随风速增大改型风力机的优势变得越来越突出;然而在相同工况下,改型后风力机的轴向力也大于原机。