风剪切下塔影效应对水平轴风力机叶片及风轮气动载荷的影响

采用CFD方法,以NH1500三叶片大型水平轴风力机为研究对象,研究额定风速剪切来流下的塔影效应对水平轴风力机叶片和风轮非定常气动载荷的影响。结果表明：剪切来流下,叶片和风轮的气动载荷均呈余弦变化规律,塔影效应的主要影响叶片方位角范围为160°~210°,且该范围不随风剪切指数的变化而变化。相同风剪切指数下,塔影效应对叶片和风轮气动载荷的均方根影响较小,对其波动影响较大。当风剪切指数从0.12增至0.30时,塔影效应下,叶片气动载荷的均方根减小,推力和转矩的波动幅度增大,偏航力矩和倾覆力矩的波动幅度减小;风轮推力和转矩的均方根减小,波动幅度变化较小,而倾覆力矩和偏航力矩的均方根增大,且波动幅度也增大。     

风剪切来流下风力机叶片表面压力的分布规律

以某33 kW两叶片水平轴风力机的风轮和NREL PhaseⅥ风力机叶片为研究对象,数值模拟得到均匀来流条件下NREL PhaseⅥ风力机叶片表面压力系数的分布规律并与实验值进行对比,验证数值计算方法的有效性。在此基础研究不同风剪切来流对风力机叶片表面压力的影响及风剪切来流下叶片表面压力随方位角的变化规律。结果表明:当风剪切指数由0.3增至0.5时,叶片表面压力在不同方位角下发生不同的变化;剪切来流下,在叶片压力面和吸力面未发生流动分离的区域,压力随方位角呈现正余弦的变化趋势,越靠近尾缘,压力的波动幅度越小;在吸力面压力最小值的位置压力随方位角的波动幅度最大;在叶片吸力面发生流动分离的区域,压力随方位角的波动不稳定;无论是压力面还是吸力面,压力随方位角的变化均存在相位滞后现象,越靠近叶根,滞后现象越明显。     

融合小翼对风力机气动性能的影响

文章利用CFD方法对不同参数叶尖融合小翼风力机额定工况下的气动性能进行了数值模拟。研究结果表明,风力机叶尖融合小翼能够使叶片输出功率和风力机总功率得到提升,但同时使叶片轴向推力、挥舞力矩增大。吸力面小翼比压力面小翼风力机功率高1.26%～1.37%,体现在叶片相对高度0.88以上区域叶片输出功率不同。小翼高度和等效长度的增加使叶尖损失减小,叶片输出功率增大。不同倾斜角度的小翼会改变叶尖流场分布,从而改变叶尖部分和小翼的功率输出。在风轮扫风面积相同的情况下,小翼倾斜角度为55°左右时风力机气动性能最优。     

基于风剪切的多风轮风力发电系统叶片载荷研究

搭建由10个50 W水平轴风力机组成的多风轮发电系统,并对该系统所在位置风剪切系数进行测试。基于叶素理论建立水平轴风力发电机叶片载荷简化计算公式。在同样的风剪切条件下,计算总功率为500 W单风轮风力机和多风轮风力发电机的叶片载荷,考察叶片方位角、风轮半径、风力机安装高度、风剪切系数和风速对叶片载荷的影响。结果表明,风轮半径越长、风力机安装高度越低、风剪切系数越大,叶片旋转过程中载荷变化越大;用多个小型风力机取代单个大型风力机可有效减小风剪切的影响。     

考虑风剪切的1.3MW风力机整机三维定常流动数值研究

分别采用均匀风和剪切风对1.3 MW失速调节风力机整机在8 m/s和13 m/s来流风速下的绕流流场进行全三维定常数值模拟。根据模拟结果分析叶片不同截面的压力系数分布、沿叶展方向的功率分布、风轮三维流场细节、风轮下游不同距离处的静压分布和二维相对速度矢量分布情况。结果表明：剪切风下,风力机功率计算值与设计值吻合较好;在靠近叶根处,适当地减小有效攻角可提高翼型气动性能,选择适应较大攻角的翼型,可以提高叶根处的输出功率;在靠近叶尖的部位,适当增加有效攻角,同时选择适应小攻角的翼型可以提高叶尖处的输出功率;在叶根部位,发生了明显的流动分离;塔架与轮毂所在位置的下游尾迹处产生的漩涡和干扰要远远大于叶轮面其他部位。     

对旋双风轮风力机载荷特性风洞实验研究

为阐明对旋双风轮风力机前后风轮之间的载荷影响规律，基于风洞实验，测量对旋双风轮风力机3个正交方向的力和力矩，研究前后风轮间距和叶尖速比对载荷特性的影响规律。研究发现：高叶尖速比时，单风轮偏航力矩存在明显波动，而对旋双风轮风力机偏航力矩减小，且波动减弱；对旋双风轮风力机间距的变化影响前后风轮所承受的载荷占比，后风轮载荷占比随间距的增大而减小，这是由前后风轮之间所产生复杂的流动及湍流结构所致；虽然前后风轮的推力Fx和倾覆力矩My随叶尖速比的增大均有一定减小，但前后风轮的倾覆力矩Mx和偏航力矩Mz的方向相反，表明对旋双风轮风力机的前后风轮具有一定抵消倾覆力矩和偏航力矩的作用。     

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.     

串列不等直径水平轴风力机气动性能研究

为研究上游风力机叶轮直径增大和轮毂高度抬升对下游风力机气动性能影响,采用计算流体力学方法对串列水平轴风力机三维流场进行模拟,以揭示上游风力机叶轮尺寸增大和轮毂高度抬升对下游风力机气动性能影响规律。研究结果表明：增大上游风力机叶轮直径,会削减下游临近机组输出功率,增加机组在低频,1倍、2倍、3倍轴频推力脉动,增大机组疲劳载荷;随着风力机间距的增加,增大叶轮直径对12D范围外机组输出功率影响可忽略不计,但机组疲劳载荷在低频和1倍轴频仍有明显的增大。抬高上游机组轮毂高度,机组较近时,可使下游风力机避开一部分尾流,显著提高下游风力机的输出功率,但也会使风力机叶轮在旋转一周过程中产生较大的叶片推力脉动;当风力机间距较远时,抬高塔架高度有利于尾流恢复,进而提高下游机组输出功率,降低机组疲劳载荷。     

偏航工况下水平轴风力机气动性能数值分析

基于计算流体力学方法(CFD),通过求解URANS方程与SST湍流模型,对Tj?reborg 2 MW风力机风轮在偏航角0°、10°、30°工况下的气动特性进行计算,结果表明数值计算的功率与实验值吻合较好。分析不同偏航角下风轮的功率、推力、叶片各截面切向力、法向力载荷和压力分布的变化规律。偏航工况下一个旋转周期内风轮功率、推力呈现3P波动性质,叶片气动载荷沿旋转方向呈现正弦交变性质,最大载荷发生在方位角90°附近区域。     

10 MW漂浮式风电机组风轮叶片响应特性研究

构建DTU 10 MW风电机组全耦合非线性模型,使用开源软件FAST计算10 MW风电机组在多种工况下的动力学响应,通过时频域分析和箱线图分析对漂浮式风电机组风轮的动态响应进行研究。结果表明:风轮叶片响应主要是风载荷引起;浮动平台纵荡、纵摇运动与风轮叶片运动的附加耦合作用会增大风轮推力、叶根弯矩和叶尖挠度的波动性,波浪载荷会增大风轮叶片的疲劳载荷。     

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。     

大型风力机多体动力学仿真下结构动态响应

为探究风力机湍流风况下结构动态响应,建立运行于以轮毂高度为参考点的全域风场中的风力机整机模型,以拉格朗日算法进行多体动力学仿真,分析叶片和塔架结构动态响应。风况模拟采用Kaimal风谱,包括不同风速以及稳态和湍流多种情况。结果表明:叶尖位移和叶根力矩挥舞方向大于摆振方向;叶尖位移集中于风轮转动频率附近;塔顶位移仅为塔架高度的0.15%~0.30%。     

大型风力机风轮气动不平衡的特性研究与验证

为了研究和探索风轮气动不平衡的物理特性,以某2.0 MW三叶片水平轴风力机为研究对象,采用计算机仿真及试验相结合的方法,研究风轮气动不平衡对机组动力学特性、气动性能及气动载荷的影响研究。通过气动特性分析和动力学分析表明,随着风轮叶片安装角的不平衡度增大,其机组性能逐渐下降,塔顶的载荷波动逐渐增大,叶片的挥舞载荷出现明显差异,机舱振动加速度变大。对塔顶振动加速度进行快速傅里叶变换分析,出现明显特征变化。研究过程表明,监测机舱振动加速度和机组功率曲线能有效识别机组气动不平衡程度。     

基于流固耦合的风力机叶片模拟分析

文章选取风轮直径为2 m的水平轴风力机为研究对象,采用数值模拟计算的方法研究叶片在不同工况下的位移及应力/应变。研究结果表明:气动载荷使叶片产生挥舞方向的变形,且在展向上有较大幅度的位移;随着风轮转速的增加,叶片的位移有明显的增加,沿弦向前缘压力大于后缘的压力,沿展向叶根处变形要小于叶尖。     

变速变桨距风力发电机气动特性研究

基于动量叶素理论,考虑了叶尖损失、风轮锥角以及修正的轴向和切向诱导因子等因素的影响,推导出速度诱导因子的迭代计算公式。考虑了影响风力发电机气动性能的各种因素,较为准确地建立了风轮计算模型。结合实例计算分析了速度诱导因子及叶片受力沿叶片展向的分布规律,分析了桨距角、转速和叶尖速比等参数对风力机气动特性的影响,得到风力发电机的气动特性曲线。在此基础上,分析了提高风力机风能利用率和减小载荷波动的方法,为风力发电机的动态设计及运行特性分析奠定了基础。     

风轮仰角对风力机气动性能的影响研究

为了防止叶片梢部与塔架碰撞,实际工程中的风力机在运行状态下风轮存在一定的仰角,这使得风力机气动荷载状况变得更加复杂。针对此复杂工况,利用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟方法,对比分析仰角为0°与5°两种风轮模型分别在均匀来流和切变来流条件下的气动荷载特性。结果表明:仰角的存在使得风轮产生与切变风工况方向相反的俯仰力矩和较大的偏航力矩,但对输出功率的影响较小。同时风轮仰角会改变单个叶片气动荷载的波动特性,导致作用于风轮总体的周期性波动荷载增大,其中偏航力矩的波动均方根增大幅度达到了25.46%,将对结构的疲劳性能产生较为显著的影响。     

水平轴风力机结冰及其影响计算分析

针对过冷水滴在风力机表面撞击结冰现象,建立适合于计算水平轴风力机结冰过程的三维数值方法。该方法包括计算空气流场的多参考坐标系(MRF)方法、结冰面水滴收集率计算的欧拉方法以及结冰的三维模型及其相应的数值求解算法3部分。采用该方法对某1.5 MW级水平轴风力机结冰进行计算,总结结冰的基本特征,分析结冰对风力机气动特性的影响。研究表明:冰主要结在叶片前缘,从叶尖到叶根,冰越来越薄;轮毂、叶片根部及其附近区域、结冰很微弱,可忽略;在叶尖结明冰的条件下,随着展向位置向叶根移动,冰的外形会逐渐趋向规则,明冰向霜冰转变;结冰对叶片根部附近的压力载荷分布影响不大,但对叶尖附近区域的载荷改变明显。     

风轮风载荷等效系数计算方法研究

在风力发电机支撑结构设计初期,风轮的载荷多根据建筑风载荷规范确定,但建筑风载荷计算中常采用的体型系数却无法准确计算旋转机构荷载。文章首先分析了水平轴风力机叶片推力系数与体型系数的关系,然后根据功率系数计算叶片推力系数,从而获得整个风轮的风载荷,据此提出了考虑实际叶片工作效率的风轮风载荷等效系数计算方法。应用该方法对某1.5 MW水平轴风力机进行计算,并与商用软件Bladed的计算结果进行比较,结果表明,该方法能够满足风力机风载荷计算的要求,是一种精度较高、适于工程应用的方法。     

干扰气流对Darrieus风轮气动性能影响研究

Darrieus风轮单个叶片的力矩特性曲线随方位角成波浪形变化,90°和270°方位角的力矩系数为极小值且为负值,严重影响立轴风力机整体气动特性。针对此问题,提出通过导叶来引入干扰气流,对两方位角的流场进行改善,进而提高整体气动特性的性能改善方法。采用SST k-ω湍流模型进行二维数值计算,以270°方位角加导叶的和无导叶的直叶片立轴升力型风轮为对象进行对比分析。研究发现,导叶使270°方位角附近区域的叶片力矩系数明显提升,最大力矩系数由无导叶的-0.03提升到0.07,使270°方位角叶片的吸力面负压系数和压力面正压系数都有较大提高;风轮风能利用系数在运行范围内都有明显提高,在最佳尖速比下提高12%。     

不同小翼对风力机气动性能影响的数值分析

对安装平板小翼和融合小翼后的风力机气动特性和流场分布进行了研究,探究不同小翼对额定工况下风力机总功率、叶片表面压力和叶尖流场分布的影响。结果表明:在叶尖增加小翼可提高风力机总功率,融合小翼具有较好的气动特性,其总功率比无小翼时提高了10.61%;小翼的存在使叶尖吸力面压力降低,叶片表面压差增大,与平板小翼相比,融合小翼叶片表面压差更大;小翼削弱了叶尖绕流强度,使局部诱导速度减小,气动攻角增大,并使叶尖涡的涡核位置远离叶片主体,有效减小了叶尖涡产生的不利影响。