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。     

风力机叶片动力学响应的数值模拟研究

针对旋转风轮的工作特性,考虑风力机叶片空气动力学载荷、惯性载荷及重力载荷的耦合效应,建立了风力机叶片交变载荷的计算模型。基于叶片的载荷模型,以结构动力学理论为基础,在研究叶片位移向量与振动变形之间关系的基础上,提出风力机叶片动力学响应的数值模拟方法。选取某5MW风力机为研究对象,分析了该风轮的空气动力学性能,数值模拟了额定风轮转速和额定风速下风力机叶片的轴向和切向载荷分布,以及该载荷特性下叶片在挥舞方向和摆振方向的振动速度和振动加速度变化规律。     

风力机柔性叶片模态气动阻尼分析方法研究

针对大型水平轴风力机柔性叶片的模态气动阻尼数值分析方法进行研究。运用多体系统动力学建模方法和风力机叶片空气动力学模型,建立柔性叶片的气弹耦合方程,在求解此方程得出叶片在某运行工况下的气弹响应基础上,结合柔性叶片振动模态参数包括模态频率、模态向量和模态质量等物理量的识别和振动能量损失法,即计算气动力在叶片振动周期内所做的功,导出叶片模态气动阻尼比计算式,建立叶片挥舞、摆振各阶模态气动阻尼比分析流程。算例分析某柔性叶片在多种稳态风速下一阶模态气动阻尼比,表明所建立分析方法的有效性和可靠性。为大型风力机柔性叶片气动阻尼特性和气弹稳定性分析提供了有效的分析手段。     

风力机叶片气动外形与主机运行特性耦合优化设计

在叶片的优化设计中,叶片的气动外形与风力机主机的稳态运行特性存在耦合设计关系,一方面叶片的外形形状决定主机的稳态运行特性;另一方面对不同外形形状的风力机叶片应设计与之相匹配的风轮转速、叶片桨矩角等主机稳态控制策略,进而才能准确的计算和提高叶片在低风速条件下的气动性能。基于高阶贝塞尔曲线和粒子群算法构建了叶片气动外形的优化设计模型,在最大叶根弯矩和风轮推力的约束条件下,以年发电量最大为目标对某1.5MW叶片进行了优化设计。结果表明,提出的优化设计方法可实现风力机叶片气动外形和稳态运行特性的一体化优化设计,提高了风力机在低于额定风速下的气动性能,研究方法可运用于低风速超低风速风力机叶片的设计中。     

风力机结构耦合振动分析

采用通用动态尾流理论进行风力机气动力学的计算分析,并用MATLAB/Simulink进行编程,建立了风力机传动链的数学模型。在MATLAB/Simulink中进行传动链系统的编程运算,建立了风力机ADAMS柔性多体结构动力学仿真模型,并利用MATLAB/Simulink和ADAMS进行风力机振动性能的联合仿真。仿真时将气动载荷加载到风力机叶片结构上,将传动系统模型的反扭矩加到ADAMS风轮模型上,同时考虑风力机的结构变形对气动性能、传动性能产生的影响。仿真最终实现了风力机系统振动性能耦合分析,其数据同实验测试数据比较表明,该联合仿真方法可以较好地模拟风力机的振动特性。     

风力机叶片的形状优化设计

在风力机优化设计过程中,考虑法向力和切向力的叶尖损失,基于一维的动量叶素理论及传统的风力机空气动力学原理,推导并给出新的风力机轴向和周向因子的计算模型。探讨风力机成本和输出能量之间的关系,得到风力机成本及其年输出能量的计算模型,进而建立风力机单位输出能量成本的数学模型,以其为优化设计目标,以叶片的形状参数弦长、扭角和相对厚度为优化设计变量,提出叶片的优化设计数学模型。最后,应用该优化模型对某2MW风力机叶片进行优化设计,并对优化结果进行比较分析,验证了优化叶片的工作性能,很好地实现了风轮单位能量成本的降低。研究成果为大功率风力机叶片的设计开发提供了理论依据,奠定了风力机叶片的研究和工业应用前景。     

风力机叶片三维建模与力学特性分析研究

风力机叶片的三维建模与静力学和动力学分析是开展风力机叶片可靠性分析和优化设计的前提。通过给定翼型的二维离散坐标点来计算叶片上位置叶素所对应模型信息,结合三维建模和有限元分析软件,开展了入流风载荷作用下叶片的静强度、模态和谐响应分析,获得了叶片结构的最大应变、应力、典型振动模态和（0～120）Hz激励频率作用下变形量的频响峰值,为大中型风力机叶片（基于疲劳失效）的结构优化设计和可靠性分析提供重要参考。     

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。     

极限风况下风力机柔性部件动力学响应研究

风场是影响风力机气动和结构特性的最直接因素。基于对不同风况模拟、气动计算,以某1.5 MW风力机为例,模拟其在不同风况下的动力学特性动态响应。通过分析各叶片叶尖位移、叶根受载及塔架顶端位移的动态响应,结合发电工况分析控制策略的选择。研究结果表明:在添加相干湍流到基础湍流上模拟拟序结构风况时,叶尖挥舞、摆振;叶根挥舞弯矩、摆正弯矩、变桨力矩;塔尖前后挥舞、左右摆振都有不同程度的增大。且风轮计算点上部分风速已远大于参考风速,控制策略的选择需要根据瞬时风速而变。研究成果对风力机的气动、结构设计和控制策略的改进具有一定的参考价值。     

风力机叶片气动外形优化设计综述

近年来,可再生能源发展很快,包括太阳能、风能、水能等,其中风力机是风能发电的主要形式。风力机通过叶片的转动将风能转化为机械能,故叶片对风的捕获能力是风能利用效率的重要影响因素,这涉及风力机叶片空气动力学问题,而叶片气动外形设计对其气动效率有着至关重要的作用。首先介绍了风力机空气动力学理论和气动计算模型,它们是气动设计的基础,然后分别介绍了传统的气动外形优化设计方法和现代优化设计方法。指出了风力机叶片设计的多学科、多目标发展趋势,以及开发风力机设计软件的迫切需要。     

Enhancement of wind turbine aerodynamic performance by a numerical optimization technique

Sectional aerodynamic design optimization was performed to enhance the aerodynamic performance of horizontal axis wind turbine rotor blades based on a computational fluid dynamics technique. The proposed sectional optimization framework consists of airfoil section contour modeling by the PARSEC shape function and a modified feasible direction search algorithm. To enhance the aerodynamic performance of wind turbine rotor blades, the objective of the design framework was set to maximize the lift-over-drag ratio for each design section. A two-dimensional Navier-Stokes flow solver coupled with a transition turbulence model was used to evaluate the aerodynamic performance during the iterative design optimization procedure. The sectional flow conditions were extracted from the flow of a three-dimensional rotor blade configuration. The design framework was applied to the National Renewable Energy Laboratory Phase VI rotor blade. The design optimization was conducted at nine spanwise sections of the rotor blade. To validate the present methodology, the aerodynamic performances of the original baseline rotor and the rotor after the design optimization were compared by using a three-dimensional Navier-Stokes flow solver. It was found that approximately 11% of torque enhancement was achieved after the aerodynamic shape design optimization.     

Aerodynamic shape optimization of wind turbine rotor blades considering aeroelastic deformation effect

An aerodynamic shape optimization framework of two modules is developed for improving the aerodynamic performance of wind turbine rotor blades. The first module conducts CFD-based aeroelastic analysis for the complete blade configuration to evaluate the turbine performance and to extract the sectional flow conditions at selected blade sections. The second module performs 2-D shape optimization of blade sections to maximize the lift-to-drag ratio under given sectional flow conditions. When the optimization is completed for all selected blade sections, the performance and sectional flow characteristics of the new blade reconfigured from the optimized sections are evaluated again by the CFD-based aeroelastic analysis. The above procedure is repeated until the solution converges satisfactorily. Applications were made for the NREL phase VI and the NREL 5MW reference wind turbines. The results showed that the optimization framework can be effectively utilized in enhancing the aerodynamic performance of wind turbine blades.

     

大型风力机叶片研究现状与发展趋势

叶片是风力机最为关键的部件之一,叶片、轮毂组成的风轮是能量捕获机构,将风能转变为机械能,与此同时,叶片又是风力机力源,主要承载部件,对整个风力机安全运行起着关键作用。在对大型风力机及其叶片产业发展现状分析基础上,从气动外形与结构设计现状、运行监测与控制技术现状、发展趋势与有待研究的问题等几个角度进行较为全面的梳理总结,从而从总体上把握现代大型风力机叶片研究现状及发展趋势。指出今后将在针对抗台风叶片、低风速叶片、仿生叶片和低噪音叶片等的个性化设计,具有外部载荷环境和自身结构状态变化感知功能的智能风力机叶片设计等方面进一步发展;已经形成的风力机叶片设计、制造及运行监控理论等还要随着大批量风力机全生命周期服役实践,进一步完善和发展。     

Integrated aero-structural optimization design of pre-bend wind turbine blades

In the optimization design of a pre-bend wind turbine blade, there is a coupling relationship between blade aerodynamic shape and structural layup. The evaluation index of a wind turbine blade not only shows on conventional ones, such as Annual energy production (AEP), cost, and quality, but also includes the size of the loads on the hub or tower. Hence, the design of pre-bend wind turbine blades is a true multi-objective engineering task. To make the integrative optimization design of the pre-bend blade, new methods for the blade’s pre-bend profile design and structural analysis for the blade sections were presented, under dangerous working conditions, and considering the fundamental control characteristics of the wind turbine, an integrated aerodynamic-structural design technique for pre-bend blades was developed based on the Multi-objective particle swarm optimization algorithm (MOPSO). By using the optimization method, a three-dimensional Pareto-optimal set, which can satisfy different matching requirements from overall design of a wind turbine, was obtained. The most suitable solution was chosen from the Pareto-optimal set and compared with the original 1.5 MW blade. The results show that the optimized blade have better performance in every aspect, which verifies the feasibility of this new method for the design of pre-bend wind turbine blades.

     

动态气动载荷和构件振动对风力机气弹特性的影响分析

通过建立气弹耦合分析模型,研究叶片、塔架等构件的耦合振动对叶根气弹载荷的影响以及在静、动态气动模型下的叶根和塔底气弹载荷的差异。采用"超级单元"模型,将叶片、塔架和主轴离散为通过转动铰和弹簧、阻尼器连接的刚体系统,以反映这类构件较大的弹性变形和非线性振动。在叶素动量理论(Blade element momentum,BEM)基础上,引入Beddoes-Lesihman动态失速模型,以反映气动载荷的动态特性。应用计算多体动力学理论和风力机气动模型,建立受约束的风力机系统气弹耦合方程。算例以某5 MW风力机为研究对象,通过施加不同的约束条件,研究风轮以外其他构件振动对叶根气弹载荷的影响;通过静、动态气动分析模型,考察叶根和塔底气弹载荷的动态耦合效应。分析表明,塔架、主轴等构件的运动会显著影响叶根的气弹载荷;叶片的动态失速特性也对叶根的气弹载荷和疲劳载荷谱有较明显的影响。研究工作对于保证风力机安全稳定运行和疲劳寿命设计有重要的作用。     

Design optimization of wind turbine blades for reduction of airfoil self-noise

To reduce airfoil self-noise from a 10 kW wind turbine, we modified the airfoil shape and planform of a wind turbine blade. To obtain the optimal blade design, we used optimization techniques based on genetic algorithms. The optimized airfoil was first determined based on a section of the rotor blade, and then the optimized blade was designed with this airfoil. The airfoil self-noise from the rotor blades was predicted by using a semi-empirical model. The numerical analysis indicates that the level of the airfoil self-noise from the optimized blade is 2.3 dB lower than that from the baseline blade at the rated wind speed. A wind tunnel experiment was also performed to validate the design optimization. The baseline and optimized rotors were scaled down by a factor of 5.71 for the wind tunnel test. The experimental results showed that airfoil self-noise is reduced by up to 2.6 dB.     

海上浮式风电机组刚柔耦合结构动力学建模与分析

基于凯恩方法和模态叠加法对三叶片水平轴海上浮式风电机组进行了刚柔耦合结构动力学建模和分析。首先建立浮式平台的水动力载荷模型,然后,把塔架和叶片等柔性件离散为有限个刚性单元体,并采用模态叠加法计算每一离散单元的偏速度和偏角速度,最后采用凯恩方法建立刚柔耦合结构动力学模型。以美国可再生能源实验室（NREL）海上5MW半潜式风电机组为算例,结合气动力载荷模型和水动力载荷模型对所建立的模型进行了风、浪响应计算,主要从输出功率、叶尖及塔顶振动信号的耦合特性两个方面对海、陆风电机组进行了对比。     

复合新翼型风力机叶片的气动设计及建模

基于Wilson法,用美国可再生能源实验室开发的S系列新翼型S833、S834、S835和三者的组合翼型来设计叶片,不同翼型连接处采用MATLAB程序语言的样条差值和曲线拟合法进行过渡修正,以满足气动连续性要求。在叶片设计基础上,分别计算了单翼型和复合翼型叶片的气动性能;利用有限元分析软件ANSYS建立了风轮的三维实体模型。结果表明:复合翼型叶片在较宽尖速比范围内比其它几种单翼型叶片的功率系数大,利用ANSYS软件建立的风轮实体三维模型,为风轮的结构动态及载荷等问题的进一步分析提供了技术基础。     

风力机动态偏航时对风轮气动性能影响的数值模拟研究

本文是对动态偏航风力机输出功率和风轮表面的压力分布进行了研究。以某S翼型风力机叶片为研究对象,采用有限元方法,模拟叶片在额定工况下以10°/s的旋转速度从正对来流风开始顺时针匀速偏转30°。在动态偏航过程中取10°,20°两个偏航角位置时的风轮表面气动力及5°,10°,15°,20°,25°,30°六个偏航角下风轮的输出功率分别进行气动力及输出功率对比,结果发现:同一偏航角下,风力机动态偏航时,三支叶片间存在不平衡气动力;同一偏航角同一叶片相同径向位置,风轮动态偏航时压力面与吸力面的压强差小于风轮静态偏航时压力面与吸力面的压强差。风力机发生动态偏航时,风力机受气动力变化幅度较大,输出功率会较大波动。     

双层翼叶片几何参数对水平轴风力机气动性能影响研究

为了提高风力机的气动性能，基于NREL Phase Ⅵ水平轴风力机叶片，设计出的一种双层翼叶片。通过计算流体力学的方法，在不同来流风速下，对比分析了双层翼叶片与按比例缩放各叶高处弦长的NREL Phase Ⅵ水平轴风力机叶片的扭矩与弯矩，研究了叶片实度的影响，发现实度增加并不是双层翼叶片的气动性能优于原始NREL Phase Ⅵ风力机叶片的主要原因。对不同弦长比、垂直距离及水平距离的大小叶片所组成的双层翼结构进行数值模拟研究，利用流线图着重分析了大小叶片水平距离对风力机气动性能的影响，总结了气动性能随双层翼叶片几何参数的变化规律，发现在15 m/s至25 m/s的风速下，选择较大弦长比、较大垂直距离或者较小水平距离的双层翼叶片可得到较高的扭矩值，但弯矩值也会随之增加。