一种风力机风轮设计和优化方法研究

为保证风力机具有最大的风能利用系数,本文主要对水平轴风力机风轮的设计和优化方法进行了研究.通过对叶片翼型的弦长和扭角的优化计算,可以得出叶片的几何参数,包括叶片数、叶片各断面的翼型选择以及叶片根部的安装位置等.根据提出的优化设计方法编制了相关软件,给出的算例说明了采用不同单一翼型设计的风轮在相应设计叶尖速比下的风能利用系数和轴向力系数的变化规律.     

风力机设计软件WTD1．0气动设计性能分析

为了研究分析风力发电机设计软件WTD1．0（一套基于考虑了流动三维气动效应数学模型的设计软件）的性能,选取一实际的风力机为计算模型。对WTD在叶轮功率计算、叶片的安装角分布、风轮的转速、叶片翼型弦长分布、叶片扭转角分布设计等方面的功能进行了计算分析,并对WTD在叶轮的启动力矩、多叶片（叶片数超过6片）叶轮的气动计算和设计的功能等进行了分析研究。通过计算分析,发现设计软件WTD1．0在叶轮功率计算、叶轮结构尺寸设计、叶轮启动力矩计算及多叶片叶轮计算设计方面均有较好的表现,并能正确地反映风力机叶轮的气动理论,在一定程度上提高了风力发电机的气动设计水平。     

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.     

风力机复合材料叶片流固耦合分析

为了给风力机叶片优化设计及研发工作提供准确的数据,减少成品的开发周期,降低成本,并保证风力机的安全运行,提出一种针对铺层后风力机风轮及叶片并利用ANSYS Workbench进行单向流固耦合分析的方法.主要在传统翼型NACA4412模型下进行叶片建模改进,应用铺层设计把叶梢、叶根、展向等改成渐变式厚度并进行流固耦合分析.数值模拟结果表明:叶片在风速13 m/s时叶尖部分压力最大,此时叶片弦长及其厚度处于最小状态,叶片中部靠近叶片前缘的位置为应力最大处.     

半转叶轮立轴风力机的转动稳定性及最大转速

半转叶轮立轴风力机是利用半转机构构成叶轮一种高效立轴风力机.分析该风力机叶片上风压的分布特点,得出其叶轮转动时可以自动维持稳定转动的良好特性,并且求出这种风力机在一定风速下可以产生的理论最大转速.     

小型风力机风轮叶尖近尾迹区域声辐射测试与分析

为解决小型风力机风轮叶尖近尾迹区域的噪声问题,利用BSWA VS302USB振动噪声采集分析系统,在风洞开口试验段对不同尖速比条件下的水平轴风力机风轮叶尖下游进行近尾迹声场声辐射测试,对叶尖下游的辐射噪声频谱和声压进行了分析.试验结果表明：风轮旋转过程中风力机叶尖辐射噪声频谱是由旋转风轮的基频及其谐波所构成的离散噪声叠加在宽频噪声上组成的,其中叶片离散的旋转噪声在总噪声级中占主导地位.在叶尖翼型后缘下游存在叶尖涡和附着涡诱导效应区,对流场的扰动较大;在风轮叶尖区域叶片周围存在高压力脉动区域,声压级最强部分靠近叶尖下游区域.     

基于遗传算法的直叶片垂直轴风力机风轮优化设计

提出了直叶片垂直轴风力机风轮的优化设计模型,该模型以双向多流管理论为基础,考虑了风场风速的概率分布,以风力机年能量输出最大为设计目标,使用遗传算法进行搜索寻优.利用开发的优化设计程序,针对特定风场优化设计直叶片垂直轴风力机风轮,并与已有风力机相比,优化设计结果有明显的优越性,说明该优化设计模型的有效性和实用性.     

基于有限元法的立轴风机风轮振动特性分析

采用有限元方法建立了立轴风力机风轮的振动分析模型,分析了离心力对风轮固有频率的影响,并运用此模型对500 kW风力机风轮的振动模态作了仿真分析,得到风力机运行过程中风轮的固有频率与外激励频率之间关系的Campbell图,为立轴风力机结构的振动特性设计提供参考.     

双层反转垂直轴风力机的流场特性数值模拟

针对由垂直轴风力机运行过程中的动态失速问题所导致的功率系数较低的问题,提出双层反转构型的垂直轴风力机. 通过在传统垂直轴风力机内侧设置反转向辅助叶片的方式,改善垂直轴风力机流场,从而提高其功率系数. 将该风力机与传统垂直轴风力机进行计算流体动力学数值模拟对比分析,研究不同叶尖速比情况下两者流场特性的差异以及双层风力机内外层风轮起始运转相位差的影响. 通过计算得到的内层辅助叶片的时均扭矩系数为正,不需要额外功率输入. 外层叶片的扭矩系数结果表明,采用这种构型会降低叶片上游区域扭矩系数的峰值,同时大幅提高下游区域扭矩系数,从而实现时均发电效率的提高. 对流场中涡系结构进行分析,结果表明,功率系数提升的原因是内层辅助叶片的反向旋转抑制了主叶片的动态失速. 特别是当叶尖速比为1.85时,在初始相位差为90°的对比算例中,与传统垂直轴风力机相比,新构型下的叶片时均扭矩系数提高了43.92 %.     

无模型自适应控制下的风轮动态载荷控制

随着能源结构的不断调整,风电机组的制造量在逐年增加,与此同时,风力机的尺寸也越来越大,对于风轮来说,这无疑会使其柔性增加,更为重要的是,风轮会受到较为复杂的动态载荷,因此必须要对其进行控制,以此来延长机组寿命,提升其运行效率。基于风电机组的线性化模型,通过坐标变换理论,将叶片根部的弯矩反馈到到两个固定的直交坐标系,设计出了一种无模型自适应控制器对风轮的动态载荷进行控制,有效地消除了风轮的俯仰力矩和偏转力矩。在FAST和SIMULINK的联合仿真下,验证了控制器的有效性。     

可伸缩叶片小型垂直轴风力机设计

针对微小型风力发电机组的市场应用,结合叶素—动量理论,在满足风电机组输出电量的前提下,对垂直轴小型风电设备叶轮进行改良设计。相比于传统的垂直轴风力机更便于携带,叶片可以自由伸缩,存储或运输时可以节省大量空间,并且风轮叶片能根据风速变化而自动调节,保证输出的电压在一个稳定区间之内。     

10MW风力机叶片设计与动力特性

为了研究大型风力机叶片在静止和转动状态下的振动模态及其变化特点,通过叶素动量理论和复合材料的叶片设计方法完成了10 MW风力机叶片的设计.基于多体系统动力学理论和超级单元模型,结合动力学分析软件ADAMS对静止状态下叶片的线性特征值进行了分析,考虑叶片的弹性变形和旋转,应用刚性积分方法对叶片的非线性控制方程进行数值求解,通过傅里叶谱分析方法,实现风轮旋转条件下的运转模态识别.结果表明,在动力刚化效应作用下,叶片的固有频率会随着转速的增加而增大.     

垂直轴风机的参数优化设计

通过对直叶片垂直轴风力机的叶片气动力特征的分析,建立了风机参数优化的数学模型,对风轮的相关参数进行了优化设计,得出了使风轮获得最大驱动力矩的最优安装角的值.     

基于有限元法的立轴风机风轮振动特性分析

采用有限元方法建立了立轴风力机风轮的振动分析模型，分析了离心力对风轮固有频率的影响，并运用此模型对500kw风力机风轮的振动模态作了仿真分析，得到风力机运行过程中风轮的固有频率与外激励频率之间关系的Campbell图，为立轴风力机结构的振动特性设计提供参考．     

FJ7—4风力机布篷风轮气动和结构设计

目前布篷式风力机风轮叶片翼型音剖面形状，都是随风自然形成的，不能形成稳定的符合空气动力要求的外形。本文提出一种克服了上述缺点的，能形成稳定的符合空气动力要求外形的风力机风轮，并对叶片的气动安排和结构形式做了研究、探讨。     

大型风电机组主动减振电气控制方法综述

为了延缓风力机振动、延长机组寿命和提高运行稳定性,设计电气控制系统实现大型变速变桨风电机组的主动减振具有重要的现实意义。在风力机振动模态分析的基础上,围绕风轮叶片、塔架和传动链这3种主要零部件的主动减振控制方法展开综述,并详细分析独立变桨距控制和阻尼控制在风力机减振控制中的应用。研究结果表明:独立变桨距控制可有效缓解风轮不平衡载荷、改善叶片振动问题;阻尼控制通过变桨距控制和转矩控制提供附加电气阻尼信号,可增大塔架和传动链的等效阻尼,从而达到减小振动的目的。由于风力机振动模态之间的耦合关系,设计减振控制方法时需考虑风电机组整体的优化协调问题,结合独立变桨距控制和阻尼控制,兼顾叶片、塔架和传动链的协调减振,是值得进一步研究的问题。     

碳纤维与玻璃钢风力机叶片动力特性的对比分析

以NREL 5 MW风力机叶片为研究对象,分析了碳纤维与玻璃钢(GRP)材料的叶片和风轮在静止工况下的模态频率与振型,对比了两种叶片在额定工况下的应力与位移。研究结果表明:两种材料的叶片均表现出较高的抗扭能力,碳纤维风轮的抗摆振能力更强;碳纤维与GRP叶片位移及应力分布相似,刚度较低的GRP叶片使得其位移响应值很大、应力响应值相对较小。     

一种新型的垂直轴风力机聚风装置

为了提高垂直轴风力机的功率系数,设计一种能将任意方向的自然水平风转变成沿环形顺时针流动的风的环形聚风装置。分析了该装置将自然风转变为环形流时风的流场。计算有效进风面积,推导了半圆柱形叶片风轮和对称翼型的功率系数公式。研究表明,在不计装置对风的加速作用和忽略轮毂半径的情况下,半圆柱形叶片风轮功率系数最大值35.6%;在给定条件下对称翼型NACA0012的功率系数最高为41.5%;装置用于H型风力机,使得风力机具有确定的攻角及良好的启动性能。     

风力发电机组风轮建模和仿真研究

对风力发电机组风力机的重要部件风轮进行了仿真分析和研究.首先进行风速的模拟,然后在数学模型的基础上建立风轮Matlab仿真模型.风轮仿真分析分别按照空载和负载情况进行,得出并分析不同风速下的风轮功率、转矩、转速曲线,进而分析了风速突变情况下的风轮输出特性.     

流体激振理论在风电机组叶片分析计算中的应用

通过理论计算分析风力发电机组叶片在进行结构设计时,自激振动对风力机叶片运行振动的影响.应用激振理论综合考量风力机叶片振动机理,找到了风力机叶片振动的根本原因,并提出了相应的判据.研究表明：风力机影响叶片振动稳定性的根本原因在于空气来流速度与叶片弦线夹角正弦值的正负情况影响.