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.     

竖轴变攻角潮流发电水轮机性能预报流管模型研究

为寻求一种快速可靠地预报竖轴变攻角直叶片潮流/河流水轮机性能的方法,给出了计算变攻角直叶水轮机水动力性能的单盘面—单流管(SDST)、双盘面—单流管(DDST)、单盘面—多流管(SDMT)和双盘面—多流管(DDMT)模型公式以及叶片转动效应的修正方法.计算和试验比较表明:低速比情况下,这4种修正的流管模型均可有效预报变攻角水轮机的能量系数;在水轮机正常工作的较高速比情况下,单盘面模型误差大,而双盘面模型与试验吻合良好,DDMT模型具有预报水轮机性能和叶片受力的优势,适合于快速进行变攻角水轮机的水动力优化设计和结构分析.     

兆瓦级风力发电机组多段权系数独立变桨控制

为了实现风力发电机3个桨叶的独立控制,依据风力机空气动力学原理、风轮扫及面内风速风切特性和塔影效应,提出了基于桨叶方位角信号的多段权系数分配独立变桨距控制方法.根据每个桨叶的方位角信号判断出该桨叶所在的风速区域,选取此区域所对应的相关权系数对3个桨叶统一的桨距角进行重新分配微调,将统一变化的桨距角转化为每个桨叶独立变化的桨距角.系统模型仿真结果表明,该方法不仅可以使3个桨叶桨距角能根据其受风情况做出相应变化,实现3个桨叶独立变桨,在稳定输出功率的同时减小桨叶拍打振动,而且能够根据简化的风力机模型进行变桨控制,方法简洁、有效、容易实现.     

双层垂直轴水轮机性能计算的当量密实度法

为解决流管模型在双层垂直轴水轮机性能计算中的数值发散问题,提出了一种流管模型的修正方法——当量密实度法。当量密实度法将双层垂直轴叶轮的计算与单层垂直轴叶轮的计算进行类比,将双层叶轮变换成为单层叶轮,减少了流管模型的计算盘面数,从而避免了数值发散问题。先利用某型单层垂直轴水轮机的实验数据和CFD(computational fluid dynamics)计算数据,对流管模型数值程序的有效性进行了验证,同时分析了流管模型在计算双层叶轮性能中存在的困难。给出了当量密实度法的理论,并利用CFD计算结果对新方法的数值程序进行了验证,对结果进行了分析。分析结果表明,当量密实度法的计算结果与CFD计算结果基本吻合,当量密实度法可以应用于双层垂直轴水轮机的性能估算。     

基于规定性能方法的海上浮式风机独立变桨控制

针对复杂海洋环境的干扰问题和海上浮式风机本身结构的强非线性、时变性问题，本文提出一种有限时间规定性能方法，保持浮式风机输出功率稳定，并减小风机结构载荷。有限时间规定性能引入收敛的性能函数来约束功率的波动，可以良好的适应浮式风机高度非线性系统，并且不需要精确的系统动力学模型。把该方法应用于统一变桨和独立变桨控制实现了功率调节、平台俯仰运动控制和叶片疲劳载荷的降低。在FAST上进行仿真试验验证该方法具有良好的性能。     

基于统一变桨距控制的立轴风力机启动性能

为提高立轴风力机的启动能力,提出了适宜低尖速比运行的桨距角变化规律,并设计了一种变桨执行机构以实现多组叶片的统一变桨距控制。从变桨执行机构、翼型选择、风轮结构和控制系统等方面介绍样机设计原理,并进行了样机性能实验。结果表明:对称翼型厚度为15%时最佳,而非对称翼型的最大厚度不超过10.4%;实验数据与理论值变化趋势一致,理论值相比实验数据高出20%~30%;通过增加上盘面顺风区叶片迎风面积可以提高启动能力。     

风力发电机组的独立变桨控制

为了实现风力发电机组3个桨叶的独立控制,依据风力机空气动力学原理和风剪切效应,提出了基于桨叶方位角信号的权系数分配独立变桨距控制方法。通过权系数对3个桨叶统一的桨距角进行重新分配,将统一变化的变桨角转化为每个桨叶独立变化的桨距角．以2MW变速变桨风力发电机组为研究对象,基于Bladed软件平台对该控制策略与传统的变桨控制策略进行仿真比较：结果表明,相对传统的变桨距控制,独立变桨距控制使风力发电机组能够在额定转速下保持稳定的电功率输出的同时还能减小齿轮箱转矩尖峰。     

基于神经滑模控制的风机变桨系统控制研究

以风力发电系统为背景,由于风速波动及风机叶片扫掠面积上风资源的不均匀分布,风机叶片的变桨需要根据自身风况单独控制,即实现独立变桨.提出一种基于RBF(径向基函数)神经网络的滑模控制策略,优化了风机变桨距的控制方法,提高了风力发电系统的稳定性.将算法植入10 kW风机缩比模型实验台,控制伺服变桨电机,实验台模拟运行结果表明,RBF神经网络滑模控制策略能够改善变桨控制的效果,提高系统的鲁棒性.     

一种竖轴潮流发电水轮机性能优化方法的初步研究

从水轮机水动力学原理出发,建立了提高竖轴变攻角潮流发电水轮机能量利用率的优化方法和数学模型．该模型以叶片偏角随位置角的变化规律为优化参数,以水轮机工作速比范围内的能量利用率系数为优化目标,采用基于动量定理的多流管模型来求解流体动力．选取竖轴直叶摆线式水轮机为优化原型进行了优化计算,给出了优化后水轮机的能量利用率以及攻角随位置角的变化规律．通过与不同偏心率的摆线式水轮机的能量利用率及攻角随位置角变化规律的对比,分析了优化后水轮机水动力性能改变的规律及原因．结果表明,在优化速比范围内,水轮机叶片不同位置角处的水动力攻角都有所增大,作用于叶片上的力以及叶片受力对水轮机中心的力矩也相应增大,从而提高了水轮机的能量利用率。     

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.     

叶片圆形切割对离心泵流动诱导噪声的影响

为研究叶片出口圆形切割对离心泵压力脉动及内场噪声的影响,通过固定圆形弦长以变换弦高的方法设计6种叶片切割方案,采用RNG k-ε湍流模型对各方案外特性和压力脉动进行流场数值计算,并基于Lighthill声类比理论和边界元法(BEM)对内声场进行数值计算,对原始模型额定工况的外特性和内声场也进行了试验验证。结果表明：叶轮叶片切割后的设计方案与原始方案相比,在轴频、叶频及倍叶频处压力脉动得到了明显地改善;当弦高与叶片出口宽度的比值为0.333时,设计工况的压力脉动幅值达到最低;当弦高与叶片出口宽度的比值为0.167时,进口声压级降低了3.5 dB,出口声压级降低了3.4 dB;随着圆形切割面积的不断增大,在设计工况各方案声压级呈现出先减小后增大再减小的规律;随着叶片出口圆形切割面积的增大,在0.6 Q_v～1.4 Q_v工况范围内扬程下降与其呈正相关特性,但对离心泵效率的影响较小。     

新型液力变矩减速装置变矩工况叶轮有限元强度分析

基于单向流固耦合理论建立了某型液力变矩减速装置叶轮有限元强度分析模型,分析了模型的载荷及边界条件,进行了求解计算与结果后处理。通过实例分析,研究了液力变矩减速装置叶轮在变矩工况下结构强度问题,得到了各工作轮极限工况的等效应力分布和总体变形量,为液力变矩减速装置叶轮强度分析提供了一种有效的方法。     

旋转对称结构振动特性计算的新方法

在工程实际中,燃气轮机、汽轮机的叶轮在结构上呈现周期旋转对称性。在对此类结构采用有限元法进行振动特性分析时,由于叶片与轮盘的几何形状复杂,叶片数目又多,满意的有限元模型计算规模非常大。根据叶轮结构的旋转对称特性,引入映射理论和傅里叶级数展开理论,把有限元分析模型的区域局限一个基本重复扇区之内,使求解规模大大降低,有效地提高计算效率、节约机时。文中给出了2个算例,计算结构表明该方法是行之有效的,对叶片数目较多,结构比较复杂的叶轮结构特别适用。     

超声刀切割系统的模态分析

采用有限元方法分析了超声切割刀片与变幅杆的匹配规律,探讨了切割刀片几何尺寸的变化对变幅杆与切割刀片组合体固有频率的影响,分析结果表明：随着切割刀片长度的增加,变幅杆与切割刀片组合体的固有频率下降,而振幅放大倍数呈增大趋势;切割刀片宽度增加,固有频率下降;切割刀片的材料性质对整体谐振频率有很大影响,验证实验表明,有限元分析结果与实验结果基本一致。     

垂直轴潮流能水轮机叶片偏角优化

为提高垂直轴潮流能水轮机的能量利用率,建立了叶片偏角变化规律的数学优化模型.该模型是将一个运动周期内的叶片偏角相对位置角的函数关系表示成Hicks-Henne函数族的线性和,并将此函数关系带入叶轮的水动力计算中.然后以函数族的系数为设计参数,以水轮机能量利用率为目标函数,采用旋转方向法进行优化计算,以此得到最合理的叶片偏角变化规律.计算叶轮的流体动力性能时采用双盘面多流管法.最后,采用本文方法对摆线式水轮机进行了优化.算例结果显示,采用优化偏角的水轮机与原摆线式水轮机相比,能量利用率有较大提高,并且启动性能更好.     

压电和压磁材料硬涂层对叶片固有特性的影响

利用金属基或陶瓷基硬涂层可以改变压气机叶片的固有特性,进而可以在某种程度上改善叶片的抗振动疲劳能力。针对具有压电和压磁效应的金属基和陶瓷基两类典型材料的硬涂层,采用有限元法对涂层-叶片复合材料结构进行模态分析,对比涂层厚度和涂覆位置等对叶片固有特性的影响。在涂层-叶片复合材料结构有限元建模中,涂层视为各向异性材料并考虑其电磁效应,叶片基体为各向同性材料。结果表明,两类硬涂层的厚度和涂覆位置都对叶片固有特性有明显影响,对弯曲振型影响较小,对扭转振型和高阶复合振型的影响较大。     

大型变截面翼型叶片与气动性能优化分析

基于叶素．动量理论,以输出功率系数为优化目标、叶片的弦长、扭角和相对厚度为设计变量,建立叶片优化设计的数学模型。综合考虑轮毂和叶尖气动损失,对各变截面翼型的弦长和扭角进行了计算和修正。利用Matlab优化工具箱,对大型变截面翼型叶片进行优化的气动性能理论计算。以1．5Mw风力机叶片为例,比较了变截面翼型叶片和单一翼型叶片气动性能的计算结果,变截面翼型叶片的气动性能优于单一叶片的气动性能,为风力机叶片外形设计提供参考。