基于翼型凹变的叶片结构动力学性能优化方法研究

针对某分布式水平轴风力机叶片,首次提出于翼型吸力面上进行翼型凹变的结构改良,以额定工况时不降低叶片功率输出为前提,成功地将翼型凹变应用于叶片刚度、阻尼比和固有频率的有益改进。研究揭示,翼型向内侧凹变可较好地控制叶片吸力面上气流交汇的位置和影响范围,配合凹槽对汇聚流线的诱导效应,可在一定程度上减小气体流动的能量损失,进而提升叶片的气动性能。此外,翼型凹变可显著提升风轮1阶、2阶阻尼比3%～9%,提升叶片刚度值32%,同时可有效降低叶片最大位移和最大应变值分别为28%和19%。翼型凹变在风力机叶片设计中的成功应用,不仅可为翼型族的衍生提供了新的实现方法,同时可为叶片气动性能和结构动力学性能的兼优性开发提供新的实现途径。     

风力机参数计算及翼型分析

在已知风机载荷和周边环境风速的情况下,使用一维动量理论及叶素动量理论对风轮半径、旋转角速度以及叶尖速比等参数进行了选取了计算,并使用软件MATLAB对叶片不同叶素截面针对扭角和弦长进行了计算,最终选取翼型得出了翼型表面。     

两种不同结构空调器轴流风机内流及性能分析

应用Navier-Stokes方程和RNGκ-ε湍流模型对空调器用轴流风机系统的内流特性进行三维数值模拟。针对匹配同一室外机时出现的不同叶片数目的叶轮,采用数值模拟与外部性能实验相结合的方法,对不同结构的两/三叶片风轮使用时的内部流场及气动性能进行详细分析。实验分析结果显示,两/三叶片叶轮各具特点,三叶片风轮匹配室外机时,风轮出口的轴向速度变化梯度较小,且气流扰动较小,能够有效地降低风机的相对湍流强度,改善气动噪声,实现降低噪声2.2dB（A）。而两叶片风轮用材少,质量轻,电功率消耗比三叶片风轮降低3.25%-6.06%,表明其具有良好的节能效果。     

叶片翼型改型设计的研究

一、引言 在风力机设计中,风能转换效率是风力机设计中一个关键指标。一般需要通过叶片的气动性能设计来获得相应的设计参数。其中叶片翼型的设计直接影响到叶片的气动性能,进而影响风能转换效率。鉴于以传统航空翼型作为风轮叶片翼型不能很好的满足风力机的使用要求,国外一些研究机构开发了多种风力发电机组专用的翼型系列,应用较多的有SERI翼型系列、     

旋转叶片高频涡脱落噪声源的双阵列声成像试验研究

旋转叶片的涡脱落噪声是一类典型的指向性声源,但由于叶片的旋转尚无法准确测量旋转叶片涡流噪声的指向性。利用两个平面阵列在叶片旋转面的平行和垂直两个方向对声源进行了声成像试验研究。试验中选择不同的叶片旋转方位角位置对涡脱落气动噪声进行波束形成声成像,通过比较声源在叶片不同方位角以及不同阵列方向的声成像结果验证了旋转叶片涡脱落噪声的指向性,并且分析了不同的叶片旋转方位角对涡脱落噪声的影响。试验结果验证了双阵列声成像测量方案的可行性和有效性,成像结果的对比表明使用的NACA0012桨叶在2.5 kHz下的旋转气动噪声源为指向性声源。     

V型叶尖结构对风力机近尾迹流场及声场特性影响的仿真研究

基于计算流体力学方法,利用FW-H声学计算方程分析不同V型叶尖结构对风力机近尾迹流场和声场造成的影响,分析额定尖速比下不同V型叶尖结构风力机流场、涡量场分布情况及叶尖区域内声压值的变化规律。结果表明:合理改变叶尖结构能够有效改善风力机叶轮叶尖速度分布情况,进而改变叶轮叶尖处涡量场的大小;V型叶尖结构风力机叶尖处产生的涡量小于未改型叶尖型风力机;V型叶尖结构风轮旋转基频所对应的旋转噪声总声压级低于未改型叶尖型风力机4~6 d B,降幅在4.72%~6.39%;V型叶尖的高度是影响风轮旋转噪声和叶尖涡噪声降低的主要因素。     

大气湍流度对风力机翼型气动噪声的影响

随着风力机大型化,风力机叶片气动噪声的影响日益突出。来流风况的随机性对于风力机叶片气动噪声的模拟具有一定影响。采用蒙特卡洛方法,结合BPM翼型自噪声模型,以NACA 0012翼型为研究对象进行不确定性数值模拟,量化大气湍流度对翼型自身噪声特性的影响。研究结果表明,大气湍流度对高频噪声的影响明显高于低频噪声。当大气湍流度增加时,声压级标准差也逐渐增大。     

湍流进流诱发的二维水翼振动噪声特性研究

为研究螺旋桨流噪声,以螺旋桨的基本构型单位二维翼型为研究对象,研究其在不同工况下的振动噪声规律。以Lighthill声类比理论为基础,应用计算流体力学软件CFX和声学仿真软件LMS Virtual Lab分别模拟在不同工况下翼型的流场和声场分布。取翼型非定常脉动力作为声源,然后采用边界元方法分别求解翼型流噪声和振动噪声。结果表明,噪声水平随速度和翼型攻角的变化呈现较为明显的规律;相比考虑翼型振动时的振动噪声,忽略翼型振动影响的情况下流噪声水平偏大。     

风力机叶片的自由振动特性分析

基于综合考虑拉伸、弯曲和扭转等变形对翘曲影响的位移函数,使用扩展拉格朗日方程,建立风力发电机复合材料翼型截面叶片的自由振动微分方程,并应用伽辽金法求解三种翼型截面叶片的固有频率,进而比较它们的自由振动特性,分析复合材料的铺层角度、截面尺寸和旋转速度等对翼型叶片的自由振动特性的影响。同时综合应用大型通用有限元软件ANSYS,三维造型软件Pro/E和前处理软件Hypermesh,计算叶片的固有频率与伽辽金法的求解结果进行对比,验证理论计算的正确性。     

高效低噪的二维翼型优化设计

针对传统的气动优化设计未考虑气动噪声影响的局限性,开展了基于噪声预测模型的气动优化设计方法在二维翼型中的应用研究。建立了由几何外形参数化方法、径向基函数(Radial Basis Function,RBF)动网格技术、改进粒子群优化算法、气动分析方法、气动噪声预测方法等五大模块构成的优化设计系统,且各模块均采用标模算例进行验证。通过对二维SC(2)-0714超临界翼型进行了单点多目标优化设计。通过对比翼型几何形状、压力系数分布以及在不同迎角下的气动力系数曲线与总声压级的关系可得,翼型头部半径、厚度影响其头部压力峰值、压力恢复、逆压梯度等特性,从而影响升阻比和总声压级,逆压梯度越小,翼型的总声压级越小。优化结果表明,在设计状态下显著提高了升阻比、降低气动噪声,考虑气动噪声的二维翼型优化设计系统可在实际的工程设计中进行应用。     

Non-linear dynamic analysis of a wind turbine blade

ABSTRACT

Wind turbine blades’ dynamic behavior must be well investigated during the design process in order to avoid resonance. Modal analysis and nonlinear dynamic analysis of a rotating wind turbine blade are presented in this paper to study the effects of rotation speed on the natural frequencies and displacements. Accordingly, an enhanced finite element formulation based on uncoupled translational and rotational displacements’ kinetic energy was developed. A twisted wind turbine blade was discretized using beam elements with different cross sections; each has six degrees of freedom per node. At rest, the model results were validated using ABAQUS software. Furthermore, the effects of geometrically non-linear phenomena produced by blade displacement on the vibration characteristics of the rotating blade have been discussed. The blade non-linear problem was solved by applying the Newmark method combined with the Newton-Raphson schema. Results show that the blade natural frequencies and displacements increase under angular rotation speed augmentation. This work highlights the significant sensitivity of the blade vibration characteristics to the geometric non-linearity. Accordingly, a modal and a linear analysis are insufficient to precisely estimate the dynamic behavior of a rotating turbine blade.     

风力机运行过程中气动载荷变化工程分析

为提高风力发电机组设计可靠性,需得到风力机在实际运行过程中叶片气动载荷的计算方法.从工程角度出发,对风力发电机使用的NACA专用翼型进行分析,结合薄翼理论推导出攻角变化特点,并依据风切变理论和塔影效应得到风力机实际运行时叶片在各个位置点的气动载荷.依据实际情况对风轮受力平面进行工程简化,得到风力机叶片气动载荷的计算方法.将此方法计算出的气动载荷与试验测量结果进行比对,吻合度较好.     

锯齿降噪结构在风力发电机组叶片上的应用

基于IEC61400-11风力发电机组噪声测试标准,应用NI硬件和LabView软件搭建噪声测试系统,对某3.0 MW风力发电机组叶片加装锯齿降噪结构前后的噪声辐射值进行现场测试,通过对比4 m/s～8 m/s风速区间的测点噪声值和1/3倍频程频谱数据,研究锯齿结构在大型风力发电机组叶片上的应用效果。研究结果表明,在叶片上安装锯齿降噪结构可显著降低机组在5 m/s～6 m/s风速区间运行时的噪声,对高风速区间内的低频段噪声也有明显降噪效果。     

基于数论网格法与Morris法的翼型气动特性敏感性分析

针对在风力机翼型气动特性敏感性分析中计算效率较低的问题，提出了一种基于数论网格（number theoretic net，NT-net）法与Morris法的翼型气动特性敏感性分析方法。首先，构建了拟合精度较高的翼型参数化模型；其次，阐述了NT-net法的计算原理，采用NT-net法对翼型参数化模型的多项式系数进行抽样；然后，以风力机翼型S832为研究对象，采用Morris法进行翼型气动特性的全局敏感性分析；最后，进一步分析在特定工况下风力机翼型参数化模型的多项式系数对翼型外形及气动特性的影响。结果表明：影响翼型气动特性的主要因素依次为翼型的最大相对厚度和最大相对弯度、前缘半径和后缘厚度；当来流攻角较小时，最大相对厚度和最大相对弯度取适当的较小值、前缘半径取适当的较大值可有效增强该工况下风力机翼型的气动特性，同时也验证了NT-net法的计算效率更高。研究结果为风力机翼型气动设计提供了理论参考。     

中小尺度嵌套下考虑停机位置的大型风力机体系风振响应分析

国内外风工程界采用的风力机体系风效应分析方法通常基于良态气候模式,而台风边界层风特性不同于良态气候模式,台风作用过程中会表现出明显的时空变异性和多尺度涡结构。针对现存土木工程台风模型理论体系过度简化的问题,引入考虑真实台风场强变异性和衰减效应的中尺度天气预报模式(WRF)对“鹦鹉”台风进行高时空分辨率模拟,重点对比台风登陆前、登陆时和登陆后台风风向和风强特征,并结合模拟台风中心路径与实测路径的对比结果验证了中尺度台风“鹦鹉”模拟的有效性。以中国东南沿海地区某风电厂5 MW水平轴风力机为对象,基于WRF模拟获得近地面三维风场数据,并结合小尺度CFD大涡模拟技术分别对叶片单个旋转周期不同停机位置工况进行三维非定常数值模拟。在此基础上,结合有限元完全瞬态法对不同停机工况进行了风振响应动力时程分析,提炼出停机位置对体系风振响应和风振系数的影响规律,最终归纳总结了台风作用下大型风力机体系最不利停机位置。结果表明:采用WRF模式可以有效模拟近地面台风风场,拟合的台风剖面指数为0.076;台风下塔架内力和风振系数显著增大,尤其是与塔架相对位置最近的叶片风振响应最为不利,内力最大增幅达35%。分析发现:当台风作用下大型风力机处于停机状态,下叶片与塔架完全重合(工况1)时为最不利,旋转至上叶片完全重合(工况5)时安全余度最大。     

Experimental and numerical studies on the performance and surface streamlines on the blades of a horizontal-axis wind turbine

Investigating laminar separation over the turbine blade of a horizontal-axis wind turbine (HAWT) has been considered an important task to improve the aerodynamic performance of a wind turbine. To better understand the laminar separation phenomena, in this study, the aerodynamic forces of a SD8000 airfoil (representing the sectional blade shape) in the steady-state conditions were first predicted using an incompressible Reynolds-averaged Navier–Stokes solver with the γ–Re _θt and k–k _L–ω transition models. By comparing simulation and experimental results, the k–k _L–ω transition model was chosen to simulate the laminar separation on three-dimensional (3D) turbine blade. Experimentally, a HAWT with three blades was then tested in a close-circuit wind tunnel between the tip speed ratios (TSRs) of 2 and 7 at the wind speed of 10 m/s. In addition, through computational fluid dynamics, the turbine performance and flow characteristics on the blade as blade is rotating were investigated. It is shown that 3D simulations agreed well with the experimental results with regard to the mechanical power of the HAWT at the testing TSRs. Moreover, the separation and reattachment lines on the suction surface of the turbine blade were also observed through the skin friction line, indicating that laminar separation moved toward the trailing edge with the increasing TSR at the blade tip region.     

风力机翼型在复合运动下的动态失速数值分析

现代大型风力机在工作时叶片经历大变形与振动,将会对其周围的动态流场产生影响,从而导致气动力的改变。因此有必要深入研究风力机翼型在复合运动情况下的动态失速气动特性,以正确预测大型风力机运行时的载荷。该文应用计算流体力学方法,对S809翼型在不同运动形式下的动态失速特性进行了二维数值分析。首先对翼型在作俯仰运动下的轻失速和深失速情况分别结合S-A、SST k-ω和RSM三种湍流模型进行了动态失速数值模拟,结果表明S-A、SST k-ω和RSM三种湍流模型都能有效地计算出翼型的气动力。然后采用SST k-ω模型仿真了翼型在挥舞运动、俯仰摆振耦合运动下的动态失速气动特性,并与相同工况条件下翼型作俯仰运动时的气动特性进行了对比分析。发现翼型在挥舞运动下的动态失速虽然弱于俯仰运动,但其强度不容忽视;而翼型在作俯仰与摆振耦合运动时比单纯作俯仰运动时的失速程度更深。因此在风力机设计阶段为获得保守的气动载荷预测,有必要将叶片截面在挥舞与摆振方向的运动转换成等效攻角,叠加在主攻角上进行动态失速气动力计算。     

新型离网型风力机气动特性测试与分析

在低速风洞下对两种不同翼型的水平轴风力机进行气动特性实验研究,得到风力机的功率特性曲线;利用WAsP软件对当地风能资源评估,分析计算得到风谱图;最后计算两种不同翼型的风力机在不同地区风资源的单位面积年发电量。结果表明:在实际风场中采用新翼型风力机比传统翼型风力机单位面积发电量平均提高了28.4%。     

风力机叶片载荷谱及疲劳寿命分析

研究了大型风力机玻璃钢叶片载荷谱和疲劳寿命的工程估算方法。运用片条理论分析了影响风力机叶片疲劳寿命的气动载荷分布;应用多体动力学方法,分析了旋转叶片动力刚化效应产生的原因及其对叶片振动模态的影响;根据模态叠加法,计算了叶片在气动力、重力和旋转惯性力等确定性载荷作用下的动应力响应;探讨了玻璃钢叶片的疲劳性能、破坏准则及疲劳寿命估计方法;提出了一种基于 Palmgren Miner 线性累积损伤法则的玻璃钢叶片安全寿命估计方法。通过所设计的 1.5MW 变速变桨距风力机叶片疲劳寿命估计的算例表明,该方法是可靠和实用的。