极端运行阵风下后掠型风力机叶片的气动特性研究

基于多体系统动力学和升力线气动模型,考虑柔性后掠叶片动态失速和气动弹性耦合问题,建立了风力机气弹耦合模型,研究极端运行阵风及阵风作用时间对某5 MW后掠风力机叶片气动性能的影响。结果表明：极端运行阵风对叶根挥舞力矩、功率、攻角、升力系数和轴向推力等气动特性具有较大影响。研究工作对风力机的结构优化设计和疲劳寿命设计具有重要作用。     

基于BEM理论的兆瓦级风力机叶片设计及其气动性能

根据风力机设计标准,在考虑叶尖损失和升阻力等影响因素的条件下,采用BEM理论设计了2 MW桨距控制型风力机叶片。为验证所开发风力机叶片的气动性能,对风力机模型进行全三维CFD数值模拟。模拟结果表明,该叶片静压强、绕流特性、湍流强度等符合叶片气动特性规律,满足设计要求。叶片展向的升阻系数与二维升阻系数对比结果表明,全三维的数值模拟能更准确地反映叶片绕流的气动特性。     

风力机叶片二元翼段静气动弹性机理

针对风力机叶片翼型静气动弹性的发散速度、载荷重新分布等问题,在线弹性范围内,基于气动弹性力学理论,推导出适用于风力机叶片二元翼段静气动弹性的基本方程.以攻角为输入量,压力为输出量,翼型的弹性扭角为系统的反馈量,建立了风力机叶片弹性翼型的气动弹性反馈模型.在危险风速工况下,对3种典型翼型的风力机叶片二元翼段进行了计算分析,得到了扭转刚度、刚心与气动中心距离对风力机叶片二元翼段的发散速度、附加扭角和升力分布的影响.研究了不同翼型对风力机叶片二元翼段附加扭角和升力分布的影响,结果表明,当扭转刚度较小时,附加扭角的增加在一定程度上提高了翼型的气动性能;当扭转刚度较大时,附加扭角增加较小,对翼型的气动性能影响较小.     

水平轴风力机多涡格升力面涡尾迹法的研究

针对NREL Phase VI实验双叶片水平轴风力机,采用基于多涡格升力面的自由尾迹法模拟其低风速及高风速气动性能。由于高风速失速延迟导致尾缘分离滞后,建立Kirchhoff-Helmholz尾缘分离预估模型与Du-Selig失速延迟模型耦合的三维尾缘分离预估模型。计算低风速及高风速不同的偏航角工况,对比分析不同涡格数对模拟结果的影响。研究结果表明:涡格数对低风速工况影响甚小,对高风速影响很大,且采用两涡格的三维尾缘分离预估模型对法向力系数和弦向力系数的模拟最为精确。     

Darrieus垂直轴风力机的双盘面随动流管模型

针对现有垂直轴风力机流管模型中未经充分实验验证的流管假设,提出了一种针对垂直轴风力机的空气动力模型———双盘面随动流管模型.模型整体采用双盘面单流管模型,局部采用随动流管模型,同时考虑了叶片的动态失速效应,并结合了Gormont动态失速模型.其中,双盘面单流管模型假设风轮的上下盘面均具有各自恒定的来流风速;随动流管模型假设叶片的相对局部风场中存在随动流管,流管方向与叶片相对风速方向一致,并随叶片实时运动.在Matlab中建立了模型并进行了系统计算,通过与实验数据的对比分析发现,该模型可较好地预测风力机的整体气动性能.同时研究结果表明:为了较准确地预测风力机在低尖速比范围内的气动性能,动态失速效应是不可忽略的.     

基于仿鸽子翼型的风力机叶片结构气动性能分析

对风力机轻风启动,有效利用风能进行研究。利用仿生耦合技术通过对鸽子翼型数据提取,建立仿生模型。基于NACA0015翼型及鸽子数据特征,将优缘凸起、后缘凸起及前后缘凸起三类翼型与NACA0015翼型进行对比,分析得到翼型上下表面压力分布、表面流场变化、剪切应力分布及增升减阻各气动系数,当失速攻角为16°、马赫数为0.073条件下,仿生翼型在提高升力方面比NACA0015提高了31.98%、降低阻力达到了10.62%,仿生翼型对表面流体起到了有效改善,改变结构的翼型对提高升力,降低阻力有了很大的提高。     

新型组合式垂直轴风机的优化设计与性能研究

对于垂直轴风机,升力型风能转化效率高,但是其在低风速下不能自启动;阻力型可以在低风速下自启动,但其转速低,而且其风能利用率低.为了充分发挥二者性能,我们设计制作了一种新型组合式垂直轴风力机,通过采用超越离合器作为连接件将Darrieus风力机和Savonius风力机组合而成,并对其进行了三维数值模拟和吹风实验.通过对比有无加装S型风机时风机启动风速和输出功率的模拟结果与实验数据,发现该新型组合式垂直轴风机启动风速明显降低,风能利用率仅略有下降,很好地实现了互补.     

一种复合型垂直轴风力机实验研究

提出了一种升阻复合型垂直轴风力机,并对该风力机进行了实验研究。首先通过改变叶片安装角,对不同风速下风力机的性能进行实验研究。其次对叶片进行正装和反装对比实验。实验结果表明,当叶片反装时,在同一风速下安装角为-6°时功率最大,此外对安装角为-6°时的多个风速进行实验研究,发现随着风速的增大,每个风速下的最大功率增大。     

变风速下风力机叶片载荷特性研究

根据风力机的气动理论,并考虑风切变和风力机结构、几何参数的影响,建立了风力机叶片的气动载荷计算模型。以基本风速、渐变风速、阵风风速和脉动风速4种风速类型建立了变风速模型,并应用于叶片载荷计算模型,实现变风速下的叶片气动载荷的计算。以某MW级风力机为对象,给出了数值计算流程并进行了实例计算,结果显示：风力机叶片的气动载荷主要分布在叶片的中段和叶尖,且载荷大小随风速起伏变化,叶根的气动载荷随风速变化的趋势不明显,风速较大时,叶片上的载荷波动较为显著。结果可为叶片的结构设计和动力学分析提供参考。     

小型低风速风力发电机叶片设计

利用CFD软件Fluent对NACA4412和NACA23012两种常见的翼型进行气动性分析,研究了翼型在二维流场中的压力分布情况,结果表明NACA4412产生的升力要大于NACA23012产生的升力;针对小型低风速风力发电机启动的特点,用Profili软件对NACA4412翼型进行了改进,新翼型具有较高的升阻比,更能满足低风速启动的要求;基于贝茨理论并利用SolidWorks对小型低风速风机发电机叶片进行了设计与实体建模.     

风电机组无传感器功率追踪控制策略

针对传统最佳叶尖速比风能追踪方法需要准确测量风速的问题,从风电机组输出电功率的角度出发,提出了一种基于风速预估的改进叶尖速比风能追踪控制策略.根据风电机组的转速和输出电功率求解验证预估风速,进而实现无传感器叶尖速比风能追踪.仿真结果表明,所提出的改进叶尖速比控制策略在无风速传感器的情况下仍具有良好的追踪精度,同时具有较好的实时性和鲁棒性,能降低测量风速对叶尖速比控制性能的影响,证明了所提出控制策略的有效性.     

威布尔分布风速下基于遗传算法的风力机叶片优化设计

考虑了风速的威布尔(Weibull)分布,以年发电量最大为目标函数,运用遗传算法对某1.5 MW风力发电机叶片的气动性能进行了优化设计:将叶片沿展向分为13段,以每段的功率作为遗传算法的适应度函数.优化所得的气动外形参数体现了比Wilson方法和额定风速下的遗传算法更为合理的结果,弦长和扭角更趋于流线型分布,且扭角整体呈减小的趋势.     

基于ANSYS的风力机起动过程仿真

采用自行开发的软件对风力机叶片气动外形进行优化设计,得到叶片外型参数.将数据导入Pro/E,对叶片进行叶片三维实体建模.应用ANSYS有限元软件,对风力机起动过程中叶片的应力分布进行研究,得到风力机叶片在不同起动时间下、不同额定转速下的应力随时间的变化关系.研究表明:叶片上应力增加的速度随起动时间、额定转速的增大而增大,但叶片上的应力的最大值不变.     

风轮机的风能转换及空气动力学分析

基于流管概念,分析不考虑风轮机叶片旋转等因素时理想情况下风轮机的功率输出及最大风能利用系数．从角动量守恒的角度出发,分析考虑风轮机叶片旋转及由此产生的旋转尾波情况下水平轴风轮机的功率输出．借助于飞机机翼升力概念及叶片元理论,分析水平轴风轮机叶片元的空气动力,指出了风轮机叶片空气动力分析与飞机机翼空气动力分析的差异。     

风力机风轮设计中风速的处理

风力发电是风能利用的最好形式.随着单机容量的不断增大，风力机的整体尺寸也越来越大，包括塔架高度.一般情况下，无穷远来流风速随高度的增加而逐渐增大.所以在设计大功率水平轴风力机风轮时，风轮设计者是否要考虑无穷远来流风速在铅垂高度等于直径的范围内的速度梯度将是一个值得注意的问题.为准确计算风轮的气动特性，就必须针对这一速度变化范围用合理的方法给定设计风速.分析并证明了用风轮中心处的速度作为设计风速是相当合理的.     

基于MATLAB的垂直轴风力机仿真研究

为了描述垂直轴风力机的输出特性,对垂直轴风力机运行风况、传动系统以及转速控制系统在MATLAB/SIMULINK模块中进行建模.以5 kW垂直轴风力机为例,运用双向多流管模型得到该风力机不同叶尖速比下的功率系数,并将数据导入MATLAB并运用曲线拟合工具箱得到该5 kW垂直轴风力机的风轮数学模型,从而建立SIMULINK模型.将风轮模型与其它模型组成风力机模型,给定风力机的一些运行参数,得到了可供分析的数据.通过仿真研究表明,MATLAB/SIMULINK可以较好地模拟风力机从风轮到传动系统的整体性能,为今后研究垂直轴风力机的整体性能提供参考依据.     

综合考虑风剪切塔影效应的脉动风速模型

风速是影响风机输出功率的重要因素。运用谐波叠加法在Matlab软件中进行仿真建模和分析,建立脉动风作用下的模型,并使用Von Karman目标功率谱对模拟风速谱进行校核,以保证风速时程曲线的准确性。通过分析风机风轮和塔架等特点,阐述了风速和方位角的关系。综合考虑脉动风、风剪切和塔影效应对轮毂风速、平均风速的影响,通过分析风轮扫掠面上各点的风速动态模型,得到模型时空分布特性。结果表明,该模型既考虑自然风的突变性和不确定性,又考虑了风机自身结构特性引起的风速周期性波动,能够理想的反映实际风速,对于模拟风机运行状况具有直接意义。