某兆瓦级水平轴风力机叶片气动设计和性能评估

基于片条理论,建立了水平轴风力机的气动参数和性能计算模型,并考虑了叶尖损失、叶根损失、叶栅影响和重载荷下对片条理论参数的修正。以此为基础设计完成了某1．5MW水平轴风力机叶片的气动外形．并对其气动性能进行了评估,结果表明该风力机叶片气动性能达到设计要求,具有较佳的风能利用系数和运转特性。     

某1 MW水平轴风力机叶片气动设计及载荷计算

基于片条理论,考虑了叶尖损失、叶根损失、叶柵影响和重载荷下对片条理论参数修正的情况下,完成了某1 MW水平轴风力机叶片的气动设计,并对其气动性能进行了评估;最后根据IEC规范对叶片在不同风况状态下进行载荷计算,所得结果可为同类风力机气动设计和结构设计提供参考。     

考虑动态失速与风轮支架损失的H型垂直轴风力机自由尾迹模型构建

采用基于升力线理论的自由尾迹模拟模型,耦合了Leishman-Beddoes（LB）动态失速模型和模拟支架损失的半经验公式,编制H型垂直轴风轮计算程序,对不同直径、不同实度的风轮进行气动性能模拟。为了检测模型对H型风轮输出计算的准确性,选取2种不同实度（分别为0.13和0.48）的H型风力机进行了对比分析。结果表明,当尖速比小于4时,动态失速影响较为明显。考虑支架损失的计算结果明显优于未考虑支架损失的计算结果,支架损失总体上随尖速比的增大而增大,2台风力机对应的最大支架损失分别高达60%和35.5%。考虑动态失速效应和支架损失的计算模型能较为准确地估算风轮实度较小的H型风轮的输出,但对于实度较大的H型风轮,其计算准确度有待进一步提高。     

立轴风力机叶片动态失速特性与气动性能分析

结合立轴风力机运行时叶片的非定常气动特性,对B-V、B-L和ONERA动态失速模型进行适当简化和修正,结合实验数据对比分析俯仰运动时动态失速对翼型气动特性的影响。在双盘多流管气动分析方法的基础上,结合修正的动态失速模型,对Sandia 17m风力机进行气动性能计算,比较不同模型对叶片非定常气动特性的评价结果,与实测气动载荷和功率对比表明,B-L模型整体上对立轴风力机气动性能预测较好。     

动态尾流模型在水平轴风力机气动性能计算中的应用

根据势流理论导出风力机动态入流对速度诱导因子及推力系数的影响,建立了动态尾流气动模型.改进了风力机动态过程分析中传统的准稳态平衡尾流近似模型,从而较真实地反映尾流动态滞后和动态诱导速度场,更适用于风力机动态气动分析.应用该动态气动模型开发了风力机动态气动性能计算程序,对一台1.3MW失速调节型风力机进行了气动性能计算.通过比较动态尾流模型和平衡尾流模型处理阶跃风和阵风等动态过程的计算结果,分析了动态气动模型及其数值方法的正确性和实用意义.     

基于涡尾迹方法的风力机非定常气动特性计算

给出了一种水平轴风力机三维非定常气动特性计算方法.风力机的绕流用预定涡尾迹模型确定,并引入涡核模型和考虑粘性引起的耗散效应对模型进行修正,解决了涡尾迹方法在大叶尖速比时普遍存在的计算发散问题.通过对Leishman-Beddoes动态失速模型中动态失速判据和模拟的修正,更准确计算侧偏风时风轮叶片的非定常气动响应.将三维旋转失速延迟模型与预定涡尾迹模型和动态失速模型适当耦合,从而计算包括三维旋转效应对叶片气动载荷非定常响应的影响,提高了风力机风轮和叶片非定常气动特性计算的准确度.     

海上浮式水平轴风力机气动特性研究

以NREL-5 MW风力机为研究对象,基于叶素动量理论,考虑动态失速、风剪切及塔影效应等气动修正模型,开发Matlab非定常气动载荷计算程序,研究浮式水平轴风力机气动特性。结果表明:为保证风力机气动载荷模拟的正确性,气动修正模型必不可少;基础运动对风力机气动性能有显著影响,基础运动使风力机输出功率增大,但同时存在较大的振荡幅度,导致功率输出不稳定;叶片变桨失效导致功率输出更加不稳定。     

水平轴风力机失速模型及对比验证

风力机叶片旋转产生的失速延迟效应使建立在二维流动假设基础上的动量-叶素理论（BEM）不再适用,因此需要对BEM进行修正。目前最常用的Du＆Selig模型、Chaviaropoulos ＆ Hansen模型和Snel模型对失速延迟区域的升力系数和阻力系数进行了修正。运用上述三种失速模型对UAE Phase Ⅵ风力机进行气动性能计算,将计算结果与NASA-Ames风洞实验数据进行对比,验证各失速模型的优缺点及适用范围。     

风力机翼型大迎角气动性能评估方法

风力机叶片翼型的气动数据是风力机叶片设计和性能评估的基础,全迎角范围的翼型气动数据有助于准确预测风力机的功率以及极限气动载荷。分析了风洞实验、CFD方法获取翼型气动数据的优缺点,着重阐述了基于实验数据建立的半经验公式-Viterna模型。提出了一种结合CFD与Viterna模型快速评估翼型全迎角范围气动性能的方法,另外为了提高预测风力机输出功率的准确性,利用前面的方法获得的翼型气动数据与叶素理论计算风力机功率时,要考虑尖端损失与桨毂损失。     

复合材料风力机叶片气动/结构一体化优化设计

基于多学科优化理论,提出复合材料风力机叶片气动/结构一体化优化设计方法。采用多岛遗传算法,以叶片的气动和结构性能为约束、质量为目标,对复合材料风力机叶片进行优化设计。气动性能分析采用叶素动量理论,考虑叶梢损失和轮毂损失。结构分析采用有限元方法对风机叶片三维参数化CAD模型进行分析。算例结果证明了该方法的有效性,对实际的工程设计有较强的参考价值。     

风力机气动与结构CAD软件

叙述了应用于风力机气动与结构CAD软件“Blade Desing for Windows”,该软件了对翼型气动数据和截面坐标数据的数据库管理,采用片条理论,考虑到角度干扰系数,实度,风剪,偏航等因素对风力机气动性能的影响,对风力机气动性能进行计算,并在此基础上发展了水平轴风力机浆叶气动外形的总体优化设计方法。     

Aerodynamic performance prediction of a 30 kW counter-rotating wind turbine system

In the present work, the aerodynamic performance prediction of a unique 30 kW counter-rotating (C/R) wind turbine system, which consists of the main rotor and the auxiliary rotor, has been investigated by using the quasi-steady strip theory. The near wake behavior of the auxiliary rotor that is located upwind of the main rotor is taken into consideration in the performance analysis of the turbine system by using the wind tunnel test data obtained for scaled model rotors. The relative size and the optimum placement of the two rotors are investigated through use of the momentum theory combined with the experimental wake model. In addition, the performance prediction results along with the full-scale field test data obtained for C/R wind turbine system are compared with those of the conventional single rotor system and demonstrated the effectiveness of the current C/R turbine system.     

小型变桨距风力机的气动优化设计

基于叶素动量理论分析了小型风力机的气动性能分析模型,并提出了叶片的气动优化设计方法.结合叶片制造和应用中的实际要求,设计了10 kW小型变桨距风力机叶片的气动外形.计算结果表明,设计叶片具有良好的气动性能,验证了该设计方法有效实用.     

导流式翼缝对直线翼垂直轴风力机气动性能的影响

为减小流体从吸力面流至压力面的速度损失,基于小间距翼缝有助于减小气动损失的设计原理,针对NACA0021翼型,提出双侧导流式、内导流式和外导流式3种新型翼缝形式。通过数值模拟方法,分析不同翼缝对垂直轴风力机气动性能和流场结构的影响,并将其性能参数与原始翼型和非圆弧翼缝翼型进行对比。结果表明:内导流式翼缝风力机气动性能优于原始风力机,最佳尖速比减小8.06%,改善了叶片周围和整机流场结构,增强了风力机运行稳定性;在低尖速比下,双侧导流式翼缝风力机气动性能较高,而高尖速比时气动性能低于原始风力机;下游区叶片迎风速度较低,外导流式翼缝对流动分离现象改善效果不明显,导致气动性能较差;非圆弧翼缝的间距过大使最大风能利用系数降低了15.5%,不适用于直线翼垂直轴风力机。     

Advanced brake state model and aerodynamic post-stall model for horizontal axis wind turbines

In scientific literature, when the aerodynamic design of a horizontal axis wind turbine is discussed, different brake state models are presented. The brake state models are implemented within a BEM code which is a 1-D numerical code, based on Glauert propeller theory, and able to predict HAWT performance. This code provides reliable results only if a proper brake state model and aerodynamic post-stall model are implemented.In this research, the authors have produced a numerical code based on BEM theory in conjunction with an aerodynamic post-stall model, indispensable for taking into account radial flow along the wind turbine blades (Himmelskamp Effect), and the brake state models by Buhl, combined with the calculation of Jonkman's tangential induction factor.In scientific literature, Shen's brake state model is commonly implemented within 1-D numerical codes, based on BEM theory. Subsequently, a comparison with Shen's brake state models was carried out. With the numerical code presented in this work, the power for an NREL wind rotor was predicted. With the numerical simulation, it was possible to notice when these different brake state model furnish results close to experimental data.     

风力发电机叶片设计与气动性能仿真研究

运用叶素理论和气动理论,基于设定的风力机性能参数对风轮叶片进行三维设计。利用Gambit建模软件对风力机单叶片进行三维建模,再用Fluent软件进行风力机叶片气动性能的数值模拟,仿真叶片气动流场流态,并计算叶轮的升力、阻力和扭转力矩;验证风力机气动性能数值模拟的可行性和可靠性;计算发电机组功率和风能利用效率等性能参数。对风力发电机叶片的设计和气动数值模拟计算分析的工作可深化对风力发电机组三维叶片的气动性能的了解,仿真风力发电机组气动流场,能为风力机叶片的设计、改型和研发工作提供技术参数和指导意见。     

风力机翼型大攻角分离流的数值模拟

为了准确预测风力机翼型在大攻角下分离流动的气动性能,并且为风力机的设计与安全运行提供一种可靠的数值模拟手段,针对某风力机专用翼型,分别采用基于非定常不可压缩Navier-Stokes方程的大涡模拟(LES)模型、RNG k-ε模型和Standard k-ε模型对其气动性能进行数值模拟,并计算出翼型攻角为35～90°,雷诺数为2×106时的气动力参数。将不同湍流模型的计算结果与风洞试验数据进行比较,并分析流场结构。分析结果表明,LES模型能够准确地模拟出翼型表面的分离流动,计算结果与试验数据取得了很好的一致性,并且优于RNG k-ε模型和Standard k-ε模型的模拟结果。     

S型风力机气动设计

概述S型风力机的工作原理以及优缺点。系统分析了影响S型风轮气动性能的外形参数,总结出S型风力机达到最优气动性能时的外形参数。以最优外形参数为基础设计完成额定功率为300W的S型风力机的气动外形,所得结果可以同类型风力机的设计提供理论指导。