风力机叶片气动噪声风洞试验及数值计算

风力机叶片在运行时会产生明显的气动噪声。采用声学风洞开展NACA0012翼型气动噪声试验,获得不同风速下的气动噪声特征。建立基于大涡模拟的数值计算模型,进行升阻力系数对比验证和网格无关性分析。根据流场模拟结果和FW-H方程计算攻角为5°时风速10、15、20 m/s的叶片声压级,计算结果和声学风洞实测的声压级频谱整体趋势较吻合。进一步地,通过数值模拟对比研究不同叶片尺寸对流场和气动噪声的影响。根据不同风速下非定常流场的涡量云图,叶片流动分离点随风速增加而后移,旋涡尺度逐渐变小;同风速下,大尺寸叶片的分离涡更大一些,且涡核间距较大。根据数值模拟得到的不同尺寸叶片的声压级频谱图,叶片尺寸增大导致各频率声压级均有不同程度的提升,且频谱图中的声压级峰值向更低频移动。研究成果对于叶片气动噪声分析和声环境评估具有借鉴意义。     

风力机叶片的非定常气动特性计算方法的改进

该文从日常的风力机气动设计和研究出发,在考虑非定常条件下翼型绕流物理特性的基础上改进动态失速的半经验模型,先得到二维时的计算结果(即不考虑旋转影响的计算结果),再在考虑紊流的情况下分析离心力和哥氏力对附面层分离的影响来计算风力机叶片的非定常气动特性,得到三维时的计算结果(即考虑旋转影响的计算结果)。分析比较二维和三维时的计算结果,可知采用考虑旋转影响的计算方法改善了原来二维时的计算方法,所得结果与实验值吻合得较好。     

叶片弧度对碟形风力机气动性能的影响研究

随着分布式能源的战略推进,小型低速风力机得到快速发展。碟形风力机具有低噪、高效、自启动等优点,本文对其叶轮进行优化设计,通过数值模拟及风洞试验,研究风轮同弦长下不同叶片弧度对风力机气动性能的影响规律,获得优化参数范围,为风力机叶轮结构定型提供依据。结果表明,叶片弧度对风力机的气动性能影响随着叶片弧度的增加呈先增后减,在0°～180°的7个水平变化中,最大风能利用系数从0°模型对应的0.212增至60°模型对应的0.364,然后下降到180°模型对应的0.168。选取3个模型进行3D打印成型,在低速风洞中进行功率特性测量,将得到的结果与数值模拟的结果进行对比,很好地验证了数值模拟中叶片弧度对风力机气动性能影响的规律。     

无叶片风力机捕能柱涡激摆动气动噪声分析

针对基于涡激振动无叶片风力机的气动噪声问题,建立捕能柱涡激横向摆动的仿真模型并进行验证,结合SST湍流模型和声类比法,探讨来流风速对捕能柱横向摆动噪声及远场噪声辐射的影响。结果表明,捕能柱涡激摆动产生的噪声为低频噪声,且噪声大小与其摆动角度和频率有关;捕能柱涡激摆动的气动声源为偶极子声源;最大噪声位于捕能柱中段位置,且捕能柱底部的噪声要大于其顶端;辐射噪声声压级与漩涡脱落频率存在对应关系;当来流风速处于锁频风速区间时噪声最大,且其衰减率小于非锁频风速。所得结论可为无叶片风力机的设计与安装提供指导。     

水平轴风力机叶片气动噪声源分布特性的试验研究

为寻找水平轴风力机额定来流风速不同转速工况时叶片气动噪声源分布特性的规律,利用30通道切片轮式阵列采用近场声全息法和远场波束形成法对水平轴风力机近尾迹区域进行噪声数据采集和声源成像分析。其试验结果表明：风力机气动噪声源在不同噪声频段下声压级随风力机转速的升高而增大,且气动噪声源位置未发生变化;在额定来流风速和额定转速下,随着气动噪声源频率由低频段向高频段过渡,其叶片气动噪声源位置由叶片中部沿叶片展向朝叶尖处规律移动,该结论可为风力机的降噪研究提供参考。     

风力机复合材料柔性叶片的颤振分析

将风力机叶片简化为薄壁复合材料封闭截面弯扭耦合变形梁,基于Hamilton原理并结合变分渐进法（VAM）,建立风力机叶片的气动弹性力学模型。结构模型包括材料各向异性,截面翘曲,离心载荷,科里奥利加速度,以及预锥角和预扭转角的影响。气动载荷采用叶素动量理论和准定常气动力理论进行描述。将位移按广义坐标进行模态展开,采用Galerkin法导出系统的质量、刚度和阻尼矩阵,采用特征值技术进行叶片颤振性能的数值求解。针对周向反对称刚度配置（CAS）叶片进行数值近似计算,揭示了入流比、预扭转角和纤维铺层角等参数对风力机叶片颤振性能的影响。     

风电机组叶片翼型设计与气动性能分析

本研究介绍了风力发电机组叶片设计动量理论、叶素理论及其Glauert修正方法,并以某风场2.0 MW-D111风电机组为研究对象,通过Bladed软件建模计算了该叶片的气动设计和整机功率曲线等性能,并与实测数据进行了对比。结果表明,理论设计与实测数据结果比较符合,说明叶片翼型参数和设计方法是可行的。本研究对风电叶片的设计有一定的参考价值和实际意义。     

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。     

大型风力机气动噪声仿真与分析

以2 MW风力机为研究对象,用Pro/E进行三维建模,用Fluent对其流场和声场进行仿真分析。采用大涡模拟(LES)模型求解风力机流场非定常流动,获得流场漩涡强度和流线,采用FW-H声学模型计算气动噪声。结果表明,由叶根至叶尖漩涡强度和声压脉动逐渐加强,在叶尖区域达到最大值,叶尖区域是风力机噪声主要来源,叶片背风面漩涡强度和声压脉动比迎风面高,导致距风力机相同距离的背风面合成声压级高于迎风面,塔影效应是风力机气动噪声重要组成部分,气动噪声主要是中低频噪声。     

基于matlab软件风力机叶片的数字化设计

本文以风力机叶片为研究对象,选用常用的NACA4412翼型,基于Glauert设计模型,利用matlab工具对一20KW风力机进行了叶片气动外形的设计,得到风力机叶片的外形参数。计算过程利用matlab能够简化繁琐计算便于修改参数,能够推广到其他产品的设计,为产品设计提供一定的依据。     

风力机尾缘襟翼气动特性及减振性能研究

通过风洞试验研究风力机尾缘襟翼的气动特性,分析尾缘襟翼对翼型绕流的影响,得到尾缘襟翼对翼型气动参数的调节规律。尾缘襟翼具有对高频荷载敏感,响应速度快的特点,可有效补偿风力机变桨距控制的不足。设计了风力机独立变桨距与尾缘襟翼协同控制策略,独立变桨距控制环主要用于减缓低频荷载及振动,尾缘襟翼控制环主要用于减缓高频荷载及振动,并通过风力机模拟仿真分析控制策略的作用效果。研究结果表明尾缘襟翼与独立变桨距协同控制可同时减缓叶片低频和高频的荷载及振动,降载减振控制效果良好,具有较好的工程应用前景。     

风力机叶片流固耦合计算的降阶模型研究

针对风力机叶片流固耦合计算复杂,耗时量大的局限性,建立了一种风力机叶片的弱耦合计算降阶模型。采用本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)方法建立流固耦合计算中空气流体方程的降阶模型,利用POD方法将流体控制方程的速度和压力等未知量进行基模态分解并用一小部分空间模态表示,对流体方程进行时间离散,在既有缩减空间上采用Galerkin投影方法获得流体控制方程的最小残差投影,构造流体方程的最小残差降阶模型。再将流体降阶模型与风力机叶片进行流固耦合计算。将该降阶模型应用于经典NREL V风力机叶片的流固耦合计算中,对比了该降阶模型和经典Galerkin法的时间离散系数;计算得到了风力机叶片的受力和变形变化特征,并与CFD结果进行了对比,结果表明了该降阶模型的正确性和有效性。最后对比了该降阶模型和全阶模型的计算效率,结果表明降阶模型的计算效率有较大幅度提高,节约了大量机时。提出的降阶模型是正确有效的,达到了准确高效进行风力机叶片流固耦合计算的目的。     

基于气动信号分析的风机叶片裂纹故障识别

针对风机叶片裂纹故障,提出通过分析风机出口气动信号,实现在线动态检测裂纹的方法。采集叶片不同状态下的风机出口气动信号,利用db4小波对气动信号进行5层分解,并单支重构,将各频带归一化能量构成6维特征向量;对能量向量进行主成分分析,基于贡献率实现特征选择;采用K均值聚类方法进行叶片状态识别。实验结果表明,气动信号能有效反映风机叶片状态的变化,该方法可以实现叶片正常、异常状态检测及裂纹长度状态区分,提供了风机叶片裂纹在线实时检测依据和手段。     

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。     

基于复合材料铺层的兆瓦级风力机叶片结构性能分析

采用参数化建模,建立多种复合材料叶片三维有限元壳体模型,并对叶片进行模态分析。进一步采用流固耦合方法,实现叶片表面气动载荷加载,对额定工况下的叶片进行屈曲分析。以初步设计的5MW风力机叶片为例,研究结果表明:复合材料具有明显的各向异性;铺层纤维角度影响叶片整体固有频率,合理的铺层结构可使叶片低阶固有频率远离激振频率,防止叶片发生共振破坏;复合材料铺层叶片在额定工况下不会发生整体屈曲破坏,但因复合材料抗拉抗压性能不同,在压缩载荷作用下叶片背风面几何突变区出现局部屈曲,在叶片设计制造时应该充分加以考虑,以防止局部屈曲破坏。     

基于共固化阻尼层结构的风力机叶片抑颤分析

针对大型风力机叶片颤振的现状,提出阻尼叶片的概念,并基于能量法推导出阻尼叶片的结构损耗因子。以某2 500 kW风力机为工程应用实例,基于ONERA非线性气动模型对普通叶片和阻尼叶片分别在启动风速、额定风速、安全风速和极限风速下进行数值仿真对比。结果显示,4种风速下阻尼叶片的结构损耗因子分别为0.617、0.579、0.523和0.439,阻尼叶片较普通叶片抑颤效果明显提高。研究结果可为大型风力机叶片抑颤设计提供参考。     

300kW大型风力机叶片

1 成果内容简介 300kW大型风力机叶片是目前国内研制和运行成功的最大的水平轴定桨矩风力机叶片。 在“八五”期间成功地试制出水平轴定桨矩200kW风力机叶片后,1996年完成首套300kW风力机叶片的试制,于1997年8月在新疆风力发电厂的配合和支持下进行运行考核,至今已运行两年多,运行情况良好,用户比较满意(用户对这付叶片的评语是:该付叶片质量良好,达到国外同类型叶片的水平,可满足300kW风力机的使用要求)。1997年底又完成了两套300kW风     

电压跌落对风力机叶片振动影响分析

风力机单机容量不断增大,装机容量不断增长,风力机与电网之间的耦合效应越发突出。电网的干扰以及故障会对风力机机械部件产生冲击。为了获得叶片在电网电压跌落时的动态响应,把叶片简化为悬臂梁,用3D Timoshenko梁进行离散化建模,建立了叶片运动的动力学方程,基于某1.5 MW风力机低电压穿越测试得到的转速,变桨曲线,获得叶片所受时变载荷的基础上,运用Newmark法对叶片在电压三相对称跌落与不对称跌落下的动态响应进行了计算。结果表明电压的跌落会对叶片产生冲击效应,在叶片拍打方向振动幅值比挥舞方向更大。叶片振动变化的总体特征随着风机载荷和电压跌落的幅值增大而增大的。同等工况和跌落幅度下,三相对称跌落时振动的变化要大于不对称跌落的振动变化。     

智能复合材料风力机叶片设计与有限元分析

随着风力发电机叶片的大型化,将智能材料粘贴在叶片表面或嵌入叶片内部形成新的结构,智能材料作为传感器和作动器。设计了小型风力发电机叶片及其智能夹层结构,用有限元分析软件Algor分析埋入的压电材料逆压电效应下的应力、位移,并与气动力作用下的叶片流体计算结果进行对比。分析实现叶片振动主动控制的可行性,以防止叶片这一弹性体发生颤振。     

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.