扩散型风力机叶片的优化设计

基于叶素-动量理论和简单的扩散器效率计算方法,建立了一种用于低风速场景的扩散型风力机模型,该模型包含了风力机来流风速、叶轮平面处风速、扩散器出口风速、尾流风速、风力机叶片荷载、叶素参数及风能利用系数之间的关联关系。针对某型号扩散型风力机,利用该模型开展了叶片结构参数的优化设计,并通过Fluent软件对优化设计前、后的风力机流场进行了仿真模拟分析。分析结果显示：在额定工况下,优化设计前、后扩散型风力机的叶尖速度、叶轮转矩、风能利用系数都得到一定程度的提升。以期该研究结果可为小尺寸低风速风电机组的叶片设计提供可行方向。     

具有失速调节的变转速风力机的动态分析与控制策略

失速调节变车风力机是非线性而且在额定风速以上不稳定的系统,风力机的跟踪控制又是分段实现的,研究其动态特性和控制策略对风力机的稳定性和可靠性尤其重要,从风力机的动力关系出发,分析了风力机在额定风速上下的运行特性,确定了相应的跟踪控制方案,并对试验风力机进行控制设计,给出了不同方案的计算机仿真结果及比较分析。     

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。     

基于气动弹性理论的风力机叶片耦合分析

针对风力机叶片,建立其结构动力学方程,推导分析了叶片旋转所产生的振动速度及其对来流的影响。基于BEM(Blade Element Momentum)理论,在风力机空气动力学基础上,建立了风力机的气动耦合分析模型。应用该模型,对某2MW风力机进行了计算分析,得到了叶片在额定工作风速下的振动变形、速度、加速度以及叶片沿展向的变形和载荷分布。充分考虑叶片的结构振动特性与来流风速的耦合效应,使得风力机空气动力学特性模型更加准确,对于风力机的设计和分析具有重要意义。     

偏航偏差角对风力机轮毂载荷的影响

偏航工况是风力机正常运行中的典型工况,为研究偏航工况下风力机轮毂载荷的特性,文章以某实验型3.0 MW机组为研究对象,通过叶片气动分析和Bladed软件仿真的方法,对不同偏航偏差角下的风力机载荷进行仿真分析,得到了风力机的输出功率及轮毂My和Mz的载荷。研究结果表明：当风力机运行在额定风速以下时,偏航偏差角的存在会降低风力机输出功率;当风力机运行在额定风速以上时,一定范围内的偏航偏差角能维持风力机满功率稳定运行。风力机在不同偏航方向下有不同的载荷表现,相比于负向的偏航偏差角,正向的偏航偏差角会导致更大的风力机轮毂载荷。该研究为大型风力机优化偏航控制及保护提供了参考。     

基于遗传算法的风力机叶片优化设计

提出了多次迭代优化设定诱导因子初始值的方法,并以功率输出和年发电量最大为优化目标,在遗传算法的基础上对1.5MW风力机叶片进行了优化设计.为了改善风力机在低风速区域内的输出功率特性,对风轮转速进行了优化.结果表明:优化后,风力机叶片的弦长值得到大幅度的降低,达到额定风速后的功率输出情况也满足了定桨距风力机的功率控制要求,说明该优化方法可以加速搜索寻优过程并保证获得全局最优解;转速优化后,当风力机采用二级转速运行时,年最大输出功率比采用单一额定转速运行时可提高1.16%.     

基于实测风数据的风力机设计与改进研究

在对调研地区风能资源进行观测和统计的基础上,基于Wilson理论和Matlab编程语言对25kW定桨距直驱式风力机进行设计和仿真,并提出通过增大风轮直径、采用低速发电机可提高风力机在低风速地区的发电量。仿真结果表明:高风速风力机不适合在偏低风速地区使用,需以当地实测风资源统计结果为依据进行风力机的设计和选型工作;增大风轮直径、降低额定转速可将风力机额定功率点提前,增加风力机在低风速段的发电量。本文设计的风力机相比当地已使用的同型风力机在该地区的年发电量更大。     

水平轴风力机叶片优化设计方法

为避免风力机叶片设计陷入局部最优解,通过Bezier参数化曲线定义叶片弦长及扭角分布规律,采用遗传算法优化曲线控制点位置,以年发电量最大为优化目标,全局寻优叶片外形参数,并与Wilson设计叶片比较。分别计算两种设计叶片在额定风况及变风况下的气动性能,结果表明:通过遗传算法设计的叶片弦长、扭角更小;额定风况下,遗传算法设计叶片推力系数更小,最大功率系数更大;变风况下,两种设计叶片输出功率相差不大,但Wilson设计叶片的叶根弯矩和风轮推力更大,整个工作风速区平均为4.7%和7.3%。     

风力机叶片约束阻尼结构建模及抑颤研究

针对大型风力机叶片的颤振问题,提出将约束阻尼结构应用于叶片以增大其结构阻尼。基于能量法建立局部约束阻尼叶片的动力学模型,推导出结构损耗因子的表达式;根据模态应变能分布情况确定约束阻尼层的敷设位置,并参数化分析阻尼层与约束层厚度对模态损耗因子的影响,采用混合单元法建立某型1.5 MW风力机阻尼叶片三维有限元模型;通过Newmark直接积分法对普通叶片及阻尼叶片在额定风速和极限风速下的动力响应进行仿真对比。结果显示,与普通叶片相比,约束阻尼结构叶片在两种风速下叶尖挥舞和摆振方向的位移、加速度标准差均减小50%以上,可显著提高叶片的抑颤能力。     

L型叶尖小翼对风力机性能影响的研究

采用标准的k-ε湍流模型对添加L型叶尖小翼叶片与原叶片在不同风速条件下进行三维流场的数值研究。通过分析叶尖区域流场和压力分布得到:对比原叶片,L型小翼对通过叶尖的气流具有导流作用,使通过叶尖的气流变得平缓流畅,同时小翼能有效改善叶尖吸力面的气流分离,使得气流分离位置远离叶片前缘,减小压差阻力。L型叶尖小翼加大叶尖部位吸力面与压力面的压差,增大风轮转矩,使风力机出力增加。添加L型小翼后,风力机推力系数最大增幅为0.81%,风力机功率最大增幅为4.2%。     

基于流固耦合的风力机叶片变形研究

文章利用ANSYS Workbench中的Fluid Flow(CFX)与Transient Structural平台对实木和环氧树脂材料叶片进行双向流固耦合数值模拟,分析了流固耦合作用下风力机叶片的变形情况和叶片变形对风力机尾迹流场和输出功率的影响。分析结果表明:在额定风速下,叶尖位置变形最大,实木材料叶片的最大变形量为18.72mm,远大于环氧树脂材料叶片的最大变形量(4.88 mm),随着风速的增大实木材料叶片变形更明显;实木材料叶片风力机的尾迹叶尖涡涡量较大,尾迹速度扰动更加强烈,速度亏损也较多,风轮输出功率较大。     

台风作用下2.5 MW风力机风荷载特性研究

以台风作用下实际工程中2.5 MW海上风力机为研究对象,结合台风实测风速和计算流体动力学(CFD)数值模拟方法,研究分析台风顺桨停机状态的风力机在不同停机位置时的风荷载分布特性。结果表明:台风沿叶片顺桨方向吹入时,不同停机位置的风轮所受风荷载大小和分布近似相同。与额定风速下的运行工况相比,台风顺桨状态下风轮整体的轴向推力不足其10%,为叶片受力最有利状态,顺桨叶片充分展现其自动卸载的能力,使台风荷载得到有效降低。     

1.5MW风力机整机定常及非定常数值模拟

本文运用计算流体力学方法,以1.5 MW风力机为例,对风力机整机三维模型的空气动力学特性开展研究。针对三翼型风力机叶片,利用改进的Wilson方法进行气动设计,并通过寻找各截面最佳雷诺数的方法进行优化修正。建立了整机三维模型,设计流域并划分网格,定义边界及区域。最后对上述模型进行额定工况下定常与非定常数值模拟,利用模拟结果开展有关压力、失速特性等空气动力学特性的分析。结果表明：非定常模拟在风轮背面上的平均压力比定常小,使风轮前后压差变大,输出功率加大,其主要原因是叶尖出力的增加;旋转使得风力机叶片发生流体分离延迟,且产生更高的升力系数。     

关于风力机异步变桨的初步研究

由于存在风速的高度切变,使同步变桨距风力机风轮的各个叶片并非都处于最佳升阻比状态,影响了风力机功率的输出和减少了风力机的使用寿命。通过对风力机叶片的空气动力学分析,提出要使叶片始终处于最佳升阻比的基本原理以及实现这一目标时变桨系统所应达到的要求。     

美国风力发电有重大技术进步

美国风力发电规模将迅速扩大 ,据美国电力研究所预测 ,到 2 0 10年 ,美国的风力发电规模将达到 50ＧＷ。这家研究所介绍说 ,目前 ,美国对风力机进行了两项重大的技术变动 ,引进了空气动力学和微电子技术。前者利用飞机上的可变螺旋桨叶片原理 ,使风力机的叶片能随着风速的大小随意旋转 ;后者使运行发电全部计算机化 ,从而使发电能力提高 4倍。改进后的风力机在风速达到 4ｍ/ｓ时 ,就能发电 ,而且在风速达到 2 7ｍ/ｓ时 ,仍能继续工作。相比之下 ,旧式风力机在风速达到 6ｍ/ｓ才能发电 ,而当风速达到 2 0ｍ/ｓ时就得停转。目前 ,全美国的风力…     

极端台风下停机姿态对海上风力机叶片气动载荷影响

基于计算流体力学(CFD)方法,选取美国可再生能源实验室(NREL)5 MW风力机叶片主要设计参数,重点研究台风风速大于切出风速(风力机停机)时,不同台风入射风向及不同叶片停机桨矩角对风力机叶片气动载荷的影响特征,揭示最不利叶片停机姿态及对应风载系数;进一步对比分析可能出现的最不利叶片变桨故障停机工况与正常顺桨矩停机工况下的风力机气动载荷的特征,提出2种停机姿态下海上风力机最大安全设计风速的对应建议值。     

风浪联合作用下浮式风力机叶片结构强度分析

海上浮式风力机在风浪作用下,支撑平台产生六自由度运动,诱导风力机叶片结构受力复杂。以DTU10 MW单柱式浮式风力机为研究对象,根据IEC标准,联合使用FAST软件和ABAQUS软件计算不同载况下叶片在气动载荷、惯性载荷和重力载荷联合作用下的力学特性。研究发现:叶片的主要承载部分是叶肩附近的主梁区域以及叶片根部;风力机正常工作时,叶片极限载荷出现在额定风速的载况下;叶尖变形主要发生在与风轮平面垂直的法向方向上。     

基于烟线法的直线翼垂直轴风力机静态流场可视化试验

为探明直线翼垂直轴风力机自起动性能与风力机叶片迎风角度的关系,设计制作了一台具有3枚NACA0018翼型叶片的直线翼垂直轴风力机模型.通过风洞试验测试了直线翼垂直轴风力机在不同风速下自起动性与叶片迎风角度的关系;利用烟线法对风力机的静态流场进行了可视化试验,获得了不同叶片迎风角度下风力机周围流场的流迹线图像;分析了风力机自起动性与叶片翼型、叶片个数、叶片受力情况和周围流场的关系.     

大型风力机叶片在不同平均风速作用下的挠度及应力分析

利用有限元分析软件对风力机叶片在不同平均风速作用下的挠度和应力进行了分析。采用Davenport脉动风速谱模拟出不同平均风速,并计算出叶片各部位的挠度及其应力分布。计算结果表明,叶片的振动主要以挥舞振动为主,随着工作风速的增大,叶片挥舞振幅增大,叶片承受的mises应力主要集中在叶片迎风面的中部位置。该研究为风力机叶片的安全设计提供了技术参考。     

预弯对10MW级风力机叶片气动特性的影响

为分析预弯处理对10 MW级风力机叶片气动特性的影响,以DTU 10 MW风力机为例,采用CFD数值模拟方法,研究均匀来流不同风速下风力机的输出功率,并与BEM计算结果进行对比。同时,对比分析直叶片和预弯叶片风力机的功率特性、沿展向出力分布、沿展向不同截面翼型的流动特性。研究结果表明,直叶片各截面翼型的压力差较预弯叶片的大,做功能力较强。预弯通过对叶片的三维流动产生扰动,进而影响风力机的输出功率,且主要体现在叶片展向70%~90%的位置。研究成果可为风力机叶片气动性能的设计与优化提供参考。