气动力与离心力对风力机叶片应变特性的影响

利用有限元理论,基于Ansys Workbench工作平台,针对某小型水平轴风力发电机组,计算了不同工况时叶片应变特性的变化。计算结果显示:叶片在气动力作用下最大应变位置位于叶根与叶片径向的0.65 R处、叶片在离心力作用下最大应变位置位于叶根处;在恒定来流风速、低尖速比时,气动力引起的叶片应变大于离心力引起的应变,但随着尖速比的增加,离心力引起的应变值大于气动力作用时的应变值,其原因为离心力正比于尖速比和风速乘积的二次方,而气动载荷仅正比于风速的二次方;气动力与离心力耦合作用时,最大应变位置位于叶根处,离心力与气动力耦合作用时引起的应变不等于离心力与气动力单独作用引起应变之和。研究结果可为风力机叶片机械强度设计提供一定的理论支撑。     

风力机叶片在不同载荷作用下的应力特性分析

针对额定功率为100 W的水平轴风力机叶片为研究对象构建实体模型,利用ANSYS有限元方法,模拟分析叶片在气动力、离心力及重力作用下的应力特征,最后由实验数据和模拟计算做对比分析。额定工况单独载荷作用研究,得出叶片应力主要受气动力与离心力的作用,重力影响不大;施加复合载荷,同一截面相对位置,叶片迎风面应力值大于背风面应力值,且随风速增加应力值逐渐增大,最大应力值处始终保持最大。     

风力机叶片叶根应力集中区应力状态实验研究

为分析风力机叶片旋转时叶根应力集中区的平面应力状态,采用旋转机械应力应变无线遥测技术,通过叶根最大弦长处压力面应变花测点的布置,在直流式低速风洞开口段进行实验研究,结果表明:在额定风速8 m/s,尖速比由4.5增至6.5的过程中,直角应变花3个方位线应变的绝对值逐渐增大,且沿叶片展向0°方位和45°方位的线应变为正值,以拉弯应变为主,90°方位的应变为负值,受叶片压力面载荷的挤压作用所致;翼型截面弦向测点的最大主应力值大于相应测点的最大剪切应力值,且随着尖速比的增加均增大,其较大值均出现在靠近截面形心的翼型表面,是叶片易受损的危险位置;最大主应力方位角受翼型截面的几何形状和载荷作用效果的影响,自前缘向后缘发展并不呈现一致的规律性。该研究为分析和判断叶片裂纹、预测损坏部位提供直接的实验依据。     

全向导叶作用下叶片实度对垂直轴风力机气动特性的影响

为研究全向导叶作用下不同实度对垂直轴风力机气动性能的影响,通过改变叶片数及弦长调整实度并分析其对全向导叶垂直轴风力机气动性能的作用。结果表明：全向导叶使垂直轴风力机周围流体提速效果显著,最大风能利用率和力矩系数较原始垂直轴风力机分别提高41.6%和25%;随实度增大时,全向导叶垂直轴风力机最佳尖速比降低;改变弦长时,风能利用率峰值随弦长增大呈现先增后减的趋势,且在小尖速比工况下,高实度全向导叶垂直轴风力机力矩系数较高,最大可达0.192;改变叶片数时,风能利用率峰值随叶片数增多而降低,且大尖速比下的低实度全向导叶垂直轴风力机力矩系数较大,但不同实度的全向导叶垂直轴风力机最大力矩系数相差较小。     

基于流固耦合的风力机气动噪声影响研究

考虑风力机叶片与空气的流固耦合作用,基于ANSYS workbench工作平台,采用双向流固耦合的方法,模拟预测风力机的气动噪声,并与额定工况下的实验数据对比。结果发现:耦合作用下风力机气动噪声增大,且耦合模拟得到的气动噪声声压级与实验值更为接近,证明计算模型的准确性;风轮后的辐射声最大声压级在叶片径向0.57R~0.71R位置,风力机叶片与空气的流固耦合作用,增大了辐射声的声压级,而对于辐射声的传播规律影响很小;耦合作用下随尖速比的增加,相同位置气动噪声的声压级呈现缓慢增大的趋势,不同尖速比下气动噪声的声压级随轴向距离的增加变化规律大致相同,均呈不断减小的趋势。     

基于PIV测试的风轮主要声源区域雷诺应力特征分析

为了获悉风轮主要声源区域的流动机理,在风洞开口段,在不同风速和尖速比下,文章对风轮展向X/C=0.5区域不同相对弦长处的流场进行了PIV测试。测试结果表明:由于翼型表面发生流动分离导致流体速度脉动,雷诺应力迅速增加,使叶片与来流相互作用产生压力脉冲;随着相对弦长的增加,雷诺应力均有不同程度的增大,当X/C为0.4~0.8时,雷诺应力的变化最为明显;对比不同风速、尖速比、相对弦长处的雷诺应力数据发现,随着尖速比的增加,雷诺应力增大最明显的区域向前缘移动,流动分离位置提前,而风速变化对流动分离位置没有影响;发生流动分离后的主要声源区域的雷诺应力呈现单峰值,流体脉动程度较剧烈;对比不同工况下主要声源最大声压级和X/C=1处中心最大雷诺应力值发现,两者变化趋势一致且易受尖速比变化的影响。文章以实验测试的方法揭示了风轮主要声源区域雷诺应力表现的流动特征,研究成果对于叶片的优化设计和降噪方法的改进提供了可行的解决思路。     

叶片数及弦长对升力型垂直轴风力机的影响

文章基于非对称翼型NACA4415,以功率系数为依据,以CFD仿真为手段,研究了在不同尖速比下叶片数与叶片弦长对升力型垂直轴风力机气动性能的影响,以及不同尖速比和叶轮实度不同时,垂直轴风力机功率系数的变化。研究结果显示,该类升力型垂直轴风力机叶轮实度取0.25~0.45,尖速比λ取2.5~3.4时,具有较高的功率系数。流场分析表明,当叶片弦长与叶片数的变化对流场的扰动能力小于垂直轴风力机从流场中获取风能的能力时,叶片弦长与叶片数的变化会增加垂直轴风力机的功率系数;反之,垂直轴风力机的功率系数降低。该研究为此类20 k W垂直轴风力机的设计与选型提供依据。     

水平轴风力机叶片扭角和弦长的理想分布

为得到风力机功率、转矩和推力等性能随尖速比和翼型升阻比变化的极限公式,需求解叶片的理想扭角和弦长沿翼展变化的解析表达式,同时这项研究也可为叶片外形设计提供理论参考。为此首先从效率最大化的原则出发,用极值的微分算法证明最佳攻角就是使翼型升阻比最大的攻角;其次利用最佳攻角和入流角公式推导出叶片理想扭角沿展向的解析表达式;然后根据动量-叶素理论,推导出叶片理想弦长沿展向的解析表达式。研究表明:叶片理想扭角是设计尖速比、最佳攻角和风轮半径的函数,叶片理想弦长是设计尖速比、风轮半径以及对应最佳攻角的升力和阻力系数的函数。这两个表达式均可表示为显函数的形式。     

复合材料风力机叶片表面裂纹扩展的模拟研究北大核心CSCD

针对风力机叶片表面裂纹扩展对叶片产生危害的问题,文章对1.5 MW复合材料风力机叶片在19 m/s风速下的应力分布进行了流固耦合计算,发现叶根和叶中位置易产生裂纹。基于扩展有限元(XFEM)研究叶片表面裂纹受力后的扩展问题,90°裂纹的扩展速率最快,叶片表面裂纹主要沿弦向进行扩展。当时间步长为100时,均质和复合材料叶片表面裂纹扩展时的最大应力分别为127.50 MPa和65.34 MPa,且裂纹仅在后者的表层进行扩展,这说明复合材料能阻碍裂纹扩展对叶片的破坏,减少应力集中。同时裂纹在叶片内部的扩展更危险,初始尺寸越大的裂纹,扩展时裂尖越容易产生应力积累。     

叶片动态应变随工况变化的响应特性研究

基于应力应变动态旋转遥测技术,针对直径1.4 m的NACA4415翼型水平轴风力机风轮模型开展动态应变实验,得出不同工况下叶片气动中心线上各个测点应变值随气动力和离心力的变化规律。试验结果表明:离心力对叶片表面动态应变的影响显著强于气动力;气动力对叶片表面动态应变的影响由叶根至叶尖逐渐增强;叶片气动中心线上各点应变值随离心力(转速)的升高而增大,且其生长特性近似成线性。从叶根至叶尖,气动中心线上各测点应变值随离心力变化的敏感性呈逐渐下降趋势;同一工况下,从叶根至叶尖,叶片气动中心线上各点应变值逐渐减小,且其衰减规律成非线性曲线形式。相关研究成果,可为风力机结构安全性设计提供一定的理论支撑。     

实度对低风速风电机组风轮气动性能影响研究

为提高低风速地区的风能利用率,研究风轮实度对低风速风电机组气动性能的影响。考虑影响风轮实度因素（叶片数量、弦长及安装角）,设计2组不同弦长叶片与可调安装角轮毂。安装角改变时不仅会引起实度变化,还会使叶尖速比发生改变。通过车载试验验证安装角不同时对风轮气动性能的影响主要与叶尖速比相关。根据不同风轮表面压力分布数值模拟结果得出：相同风速下,弦长由叶根到叶尖逐渐增大的叶片更易启动。相同条件下,试验机组输出功率与数值模拟机组输出功率最大相差5.37%,说明数值模拟结果可信。随着风轮实度的增加,风速5 m/s时,其风能利用系数呈增大趋势,风速8 m/s时,其风能利用系数呈减小趋势,两趋势相交时实度为25.38%,得出该实度下风轮气动性能较优,即可得到适合低风速地区的风轮实度。     

吸气控制策略对垂直轴风力机气动性能影响研究

针对垂直轴风力机复杂气动特性,将吸气孔置于风力机翼型上下表面,提出不同吸气控制策略以改善其气动性能。基于CFD方法,研究不同叶尖速比下吸气策略对风力机风能利用率、叶片切向力系数及流场特性的影响,综合考虑能量消耗与风力机输出功率。结果表明：提出的3种控制策略在低叶尖速比下均能大幅提升整机气动效率。效果最佳的迎、背风区交替吸气策略可显著推迟分离点,延缓翼型动态失速发生,并减少分离涡周期性脱落造成的损失。此外,该策略对动态尾迹效应有良好的控制效果,同时降低整机转矩波动幅值,消除中低叶尖速比下风轮负转矩,从而提高获能效率且延长风力机使用寿命。     

不同扩散体对建筑增强型垂直轴风力机气动性能的影响

为研究不同建筑扩散体对建筑增强型直线翼垂直轴风力机的气动性能与流场结构的影响,采用CFD数值模拟的方法,以NACA0021为叶片翼型的多叶片建筑增强型直线翼垂直轴风力机为对象,研究其在不同建筑扩散体及不同尖速比下的气动性能。结果表明:建筑增强型直线翼垂直轴风力机存在最佳尖速比;不同建筑扩散体对提高直线翼垂直轴风力机风能利用率影响较大,在所选取的8种建筑扩散体模型中,梯形建筑扩散体下的直线翼垂直轴风力机在尖速比为4.62时标准化风能利用率可达1.560 7,而A1翼型式建筑扩散体下的直线翼垂直轴风力机前后压差较小,风能难以利用。     

基于流固耦合的离心式压气机叶轮叶片仿真研究

以某型离心式压气机叶轮为研究对象,利用ANSYS工程软件对叶轮进行单向流固耦合数值模拟。在综合考虑热载荷对叶轮叶片应力应变影响的前提下,建立叶轮单流道的三维流场模型,得到额定转速下压气机叶轮内部流场应力分布。将离心力、气动力和热载荷施加到叶片上,最终得到在离心力、气动力和热载荷三者共同作用下的叶片应力分布和叶片最大变形量。结果显示:相比仅考虑离心力和气动力影响的情况,在施加热载荷后,叶片最大应力增加7.62%,最大变形量增加24.69%。     

风力机叶片制造误差对功率和推力影响的量化研究

为量化叶片制造误差对风力机功率和推力的影响,以NREL Phase VI S809风力机叶轮为研究对象,基于区间分析法和修正叶素动量理论,建立风力机不确定气动响应模型,量化弦长扭角制造误差对功率和推力影响的相对波动幅度,采用极差分析法进行敏感性分析,获得不确定影响敏感位置。结果表明,叶片扭角误差对性能影响更为显著;当弦长误差和扭角误差为±0.02c和±0.6°时,功率和推力最大相对波动达到3.26%和8.09%;弦长误差影响敏感位置为叶根,而扭角误差敏感位置为叶尖,可在此部位施加质量参数要求以控制性能偏差。     

含裂纹损伤叶片在切变来流下的应力耦合性分析

针对含裂纹损伤风力机在运行过程中产生的失效现象，将切变来流作为入口条件，基于流固耦合原理，分析含不同形式裂纹损伤的风力机叶片应力分布规律。通过无人机现场实验得知，裂纹主要集中于叶根（r/R=0.10截面）和叶中（r/R=0.50截面）后缘部位。单叶片在30°方位角时应力最大，额定风速下分布于叶根的裂纹受力最大，为33.34 MPa。强风风速下分布于叶中的裂纹受力最大，为44.31 MPa。重力载荷主要影响叶根部位的受力，气动载荷则主要作用于叶中，风速越大，叶中部位的裂纹越容易产生扩展。同时，沿弦向分布的裂纹，其扩展趋势最强。对于叶根处裂纹而言，若使叶片产生失效，裂纹长度需达到弦长的1/2、深度需达到叶片厚度的1/2；对于叶中处裂纹而言，若使叶片产生失效，裂纹长度需达到弦长的3/8、深度需达到叶片厚度的1/3。     

可变偏心距风力机应力应变特性研究

针对新型可变偏心距风力机,通过数值模拟及实验测试的方法,研究偏心距离对风轮、塔筒及侧偏调节机构受力的影响。结果表明,在来流风速增大的条件下,可变偏心距风力机通过增大偏心距可减小叶片受力,风轮向右侧偏心100 mm时叶片最大应力是未偏心工况的86%;随着偏心距离的增大,塔筒在俯仰方向受力增长趋势放缓,受风轮偏转角增大的影响,塔筒在侧弯方向受力处于持续增大的状态;在向右偏心距离增大的过程中,风轮侧偏调节机构应力及应变逐渐向右侧集中,最大应力、应变始终处于中间部位,结果验证了偏心距调节方式的可行性及安全性。     

Investigation of the theoretical load alleviation potential using trailing edge flaps controlled by inflow data

A novel control concept for fatigue load reduction with trailing edge flaps based on the measurement of the inflow locally on the blade was presented. The investigation was conducted with the aeroelastic code HAWC2. The aerodynamic modelling in the code is based on blade element momentum theory. The simulations were carried out for the NREL 5MW reference wind turbine, and the mean wind speed at hub height was 8 m s^?1. The turbine was operated with fixed rotational speed. The energy at the blade is concentrated in spectral bands centred at multiples of the rotational frequency up to three times the rotational frequency. The highest fatigue load reduction was achieved when the inflow sensor was placed at the outer parts of the blade. In the best case, the reduction of the local fatigue loads induced by the blade sectional normal force was 60%. The control method gave the highest fatigue load reductions in conditions with strong wind shear. The demands for the flap actuator in terms of deflection angles was ±10°. The requirements in terms of the flap deflection velocity depend mainly on the inflow turbulence intensity. The maximum value was ±40°s^?1 for 20% inflow turbulence intensity. Unsteady aerodynamic effects seem to be negligible. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

TMT40.3大型风力机叶片气动性能分析

基于BLADED软件平台,对TMT40.3大型风力机叶片的气动性能进行了分析.分析结果表明:TMT40.3大型风力机叶片应用在GL3A风场时的额定功率能达到1 650 kW,所承受的疲劳强度和极限载荷均能满足该款风力机叶片的设计要求,在叶尖速比为7.8～11.4的风能利用系数均在0.46以上,最高可达0.486,具有较好的气动性能和较宽的风速适应范围.