基于数论网格法与Morris法的翼型气动特性敏感性分析

针对在风力机翼型气动特性敏感性分析中计算效率较低的问题，提出了一种基于数论网格（number theoretic net，NT-net）法与Morris法的翼型气动特性敏感性分析方法。首先，构建了拟合精度较高的翼型参数化模型；其次，阐述了NT-net法的计算原理，采用NT-net法对翼型参数化模型的多项式系数进行抽样；然后，以风力机翼型S832为研究对象，采用Morris法进行翼型气动特性的全局敏感性分析；最后，进一步分析在特定工况下风力机翼型参数化模型的多项式系数对翼型外形及气动特性的影响。结果表明：影响翼型气动特性的主要因素依次为翼型的最大相对厚度和最大相对弯度、前缘半径和后缘厚度；当来流攻角较小时，最大相对厚度和最大相对弯度取适当的较小值、前缘半径取适当的较大值可有效增强该工况下风力机翼型的气动特性，同时也验证了NT-net法的计算效率更高。研究结果为风力机翼型气动设计提供了理论参考。     

相对厚度对翼型气动特性的影响研究

为了更好地了解相对厚度对风力机翼型气动特性的影响,该文以NACA4412、NACA4415、NACA4418这3种不同厚度的翼型为研究对象,分析了翼型相对厚度对翼型升阻力系数、升阻比、流场和压力系数的影响。研究结果表明:在小攻角时,随着厚度的增大,翼型的升阻比逐渐减小;在大攻角时,NACA4415和NACA4418翼型仍能保持较高的升阻比,而NACA4412翼型升阻比较低;随着攻角的增大,3种翼型均出现气流分离并形成尾部涡,NACA4412翼型比NACA4415和NACA4418翼型的尾部涡分布范围大。研究结果为风力机叶片的设计以及优化提供了参考依据。     

高效低噪的二维翼型优化设计

针对传统的气动优化设计未考虑气动噪声影响的局限性,开展了基于噪声预测模型的气动优化设计方法在二维翼型中的应用研究。建立了由几何外形参数化方法、径向基函数(Radial Basis Function,RBF)动网格技术、改进粒子群优化算法、气动分析方法、气动噪声预测方法等五大模块构成的优化设计系统,且各模块均采用标模算例进行验证。通过对二维SC(2)-0714超临界翼型进行了单点多目标优化设计。通过对比翼型几何形状、压力系数分布以及在不同迎角下的气动力系数曲线与总声压级的关系可得,翼型头部半径、厚度影响其头部压力峰值、压力恢复、逆压梯度等特性,从而影响升阻比和总声压级,逆压梯度越小,翼型的总声压级越小。优化结果表明,在设计状态下显著提高了升阻比、降低气动噪声,考虑气动噪声的二维翼型优化设计系统可在实际的工程设计中进行应用。     

水平轴风力机叶片最优体型设计

从降低风力机成本及提高风力机运行可靠性的角度,建立以最小的叶片质量获得最大的年发电量两个目标函数,以叶片体型参数及运行参数等关键参数为设计变量,以叶片的强度为主要约束条件的多目标优化设计数学模型,采用Pareto遗传算法对某1.5MW风力机叶片进行最优体型设计研究。与原设计叶片相比,最优体型设计方案提高了风力机的年发电量、减轻了叶片质量,说明优化设计模型合理有效。     

基于变弯度技术和协同射流的混合流动控制技术研究

现代飞机强调高速巡航特性且兼顾隐身特性,因此翼型往往采用厚度较小,前缘半径不大,弯度不大的薄翼型。这类翼型的低速气动性能较差,容易失速,限制了这类飞机的短距起降特性和载重能力,因此需要借助流动控制技术来改善低速特性。该文讨论新型的协同射流主动流动控制技术,同变弯度技术包括后缘变弯和前缘下垂技术等被动流动控制技术相结合,探索混合流动控制技术的流动控制机理和控制效果。基于数值模拟的结果发现:仅采用单一的流动控制技术在薄翼型上得到的控制效果有限,而将协同射流同变弯度技术结合的混合流动控制技术可同时发挥不同流动控制技术的优点(例如协同射流引起的后缘失速的推迟,下垂前缘带来的前缘失速推迟,后缘襟翼带来的零升迎角减小)。该文提供的混合流动控制方案可以将薄翼型的最大升力系数提升至C_Lmax=3.3127,相对原始构型提升了96%,具有广阔的工程应用前景。     

基于遗传算法的大型风机复合材料叶片根部强度优化设计

为了提高复合材料叶片承担载荷的能力, 尤其是承受最大弯矩的叶片根部的承载能力, 研究了遗传算法的优化原理并将遗传算法应用到复合材料叶片根部铺层的优化设计中。针对复合材料层压结构遗传算法优化设计中, 层压结构参数具有离散型的特点, 提出了适合复合材料层压结构遗传算法优化设计的整数编码策略, 以整数来表征层压结构参数。在分析层压结构强度的基础上, 针对结构强度优化的目标构造了可用于遗传算法的适应度函数。同时参考了一定的铺层规则, 在铺层角度限制为工程中常用的四种角度的前提下, 应用遗传算法对叶片根部进行了铺层优化设计。结果表明, 由于遗传算法特有的处理离散型问题的优势, 在叶片根部的铺层优化设计中应用遗传算法是可行和可信的。     

考虑装配变形的精密机床床身优化设计

为了减小装配变形,提高机床装配精度,提出了一种考虑装配变形的机床床身优化设计方法。首先,分析了机床装配变形部位和床身装配变形机理,研究了影响机床床身装配变形的因素及其影响规律;其次,基于响应面模型和遗传算法,提出了考虑装配变形的机床床身多目标优化方法,给出了优化设计流程;最后,以经典的机床床身为实例,以床身结构参数为设计变量,以床身质量、装配变形幅值、最大静变形量最小和一阶固有频率最大为优化目标,对床身进行优化设计。结果表明：床身长度和宽度方向的筋板数量和筋板厚度均对装配变形有重要影响;床身优化后,可有效减小装配变形,提高装配精度,同时使床身的质量更小、刚度更大和动态性能更优。研究结果不但为机床基础大件的结构分析与优化设计提供了参考,也为其他类似设备的多目标优化提供了理论依据,具有重要的工程实践价值。     

基于翼型凹变的叶片结构动力学性能优化方法研究

针对某分布式水平轴风力机叶片,首次提出于翼型吸力面上进行翼型凹变的结构改良,以额定工况时不降低叶片功率输出为前提,成功地将翼型凹变应用于叶片刚度、阻尼比和固有频率的有益改进。研究揭示,翼型向内侧凹变可较好地控制叶片吸力面上气流交汇的位置和影响范围,配合凹槽对汇聚流线的诱导效应,可在一定程度上减小气体流动的能量损失,进而提升叶片的气动性能。此外,翼型凹变可显著提升风轮1阶、2阶阻尼比3%～9%,提升叶片刚度值32%,同时可有效降低叶片最大位移和最大应变值分别为28%和19%。翼型凹变在风力机叶片设计中的成功应用,不仅可为翼型族的衍生提供了新的实现方法,同时可为叶片气动性能和结构动力学性能的兼优性开发提供新的实现途径。     

基于中弧线-厚度函数的翼型形状解析构造法

复杂翼型几何形状的解析表达对叶片的优化设计有重要的意义,文章研究了用解析函数构造复杂翼型形状的方法。通过对儒科夫斯基翼型函数的简化,得到用中弧线-厚度函数表示翼型型线的解析表达式,对式中的相关系数和指数进行重新定义和变换,构造出包括儒科夫斯基翼型的一般翼型型线的解析表达式;通过进一步分离上、下型线并进行重新组合的方法可构造出更复杂翼型的形状;再通过增加一个独立的厚度函数项的方法,可构造出具有光滑尾缘形状的翼型。研究表明,复杂翼型的几何形状可通过有限个参数的解析函数表达,这些参数不仅具有明确的几何意义,而且使用方便,便于调整翼型的局部形状。文中给出了用翼型、弦长和扭角函数构造风力机叶片解析函数的应用示例。     

一种叶片前后缘削边形状计算方法

目前主要采用依据标准图样目视判断的方法分析加工后的叶片前后缘形状,存在测量效率低、重复性差、评价结果不一致等问题。本文提出基于厚度偏差趋势判断前后缘形状的方法,利用叶片截面中弧线分割叶片边缘厚度,根据评价区域最大厚度偏差、最大厚度偏差比和厚度偏差变化率系数,自动分析叶片前后缘削边形状。该方法具有快速、准确的特性,为发动机叶片加工质量的评价提供了重要保障。     

基于SCADA数据的风机叶片结冰检测方法

针对工作在寒冷地区的风机易出现的叶片结冰现象,提出一种基于SCADA数据的风机叶片结冰检测方法。根据叶片结冰会增大发电机的功率损耗,选择风速与网侧有功功率2个变量,利用主成分分析技术构造对叶片结冰敏感的风速与网侧有功功率在非主成分方向投影特征,通过选择最优阈值使逻辑回归分类器适用于不平衡分类,可以实现风机叶片结冰检测自动化与智能化。通过中国工业大数据创新竞赛数据验证了该方法的有效性。     

预应力装配式风机叶片连接段结构模拟分析

随着风力发电机功率提高,其叶片越来越长,叶片的运输难度和风险增大,成本增高,特别是在山区风场建设中愈发明显。将长叶片分段制造、运输并现场组装是解决此问题的有效途径。该文提出了一种全新的基于高强预应力螺栓连接的装配式风力发电机叶片结构方案。以某兆瓦级玻璃纤维叶片为对象,确定了在离叶根16 m处进行分段时的预应力连接结构方案,利用大型有限元分析软件ABAQUS建立了连接段的精细化有限元模型,对模型在预应力以及挥舞和摆振方向4种设计荷载作用下的应力进行了分析。结果表明:在4种工况下的叶片玻璃纤维材料以及预应力连接螺栓强度均满足要求,验证了该文所提出的基于高强预应力螺栓连接的装配式风机叶片结构方案可行,该研究为解决传统风力发电机叶片的运输难题提供具有应用前景的新方法。     

Structural Analysis and Design of the Composite Wind Turbine Blade

The wind turbine blade sustains various kinds of loadings during the operation and parking state. Due to the increasing size of the wind turbine blade, it is important to arrange the composite materials in a sufficient way to reach the optimal utilization of the material strength. Most of the composite blades are made of glass fibers composites while carbon fibers are also employed in recent years. Composite materials have the advantages of high specific strength and stress. This study develops a GUI interface to construct the blade model for the stress analysis using ANSYS. With the aid of visualization interface, the geometric model of the blade can be constructed by only a few data inputs. Based on the numerical stress analysis of the turbine blade, a simple iterative method was proposed to design the structure of the composite blade.     

A computational procedure for prebending of wind turbine blades

Prebending of wind turbine blades constitutes a viable engineering solution to the problem of tower clearance, that is, ensuring that during wind turbine operation there is sufficient distance between the rotor blades and the tower to avoid collision. The prebent shape of the blade must be such that when the turbine rotor is subjected to wind and inertial loads, the blades are straightened into their design configuration. In this paper, we propose a method for accurate prediction of the prebent shape of wind turbine blades. The method relies on a stand‐alone aerodynamics simulation that provides the wind loads on a rigidly spinning rotor, followed by a series of structural mechanics simulations to determine the stress‐free prebent shape of the blade. This procedure involves only one‐way coupling between the fluid and structural mechanics, which avoids the challenges of solving the coupled fluid–structure interaction problem. The proposed methodology, which has no limitations on the blade geometry and structural modeling, is successfully applied to prebending of a 63‐m offshore wind turbine blade. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

Finite element analysis with an improved failure criterion for composite wind turbine blades

Some interesting studies are made in this paper on the life management of a composite wind turbine blade. It presents the details of finite element modeling and validation, blade response under service loading conditions, power coefficient evaluation for the optimum design parameters of the blade configuration, development of failure envelope and fatigue life estimations. Finite element analysis results are found to be in good agreement with existing test results on a typical composite blade configuration. The failure envelope generated from the present modified failure criterion correlates well with the test results on different composite materials. The procedure adopted in this paper can be utilized for optimum design of large size composite wind turbine blades.     

小型H型垂直轴风车叶片的设计分析

风力发电机(简称风车),是一种将风能转化为机械能,电能或热能的转换装置。比较了垂直轴风力发电机与水平轴风力发电机的优势后,对小型H型垂直轴风车叶片的进行了分析,给出了在不同工作环境中的载荷分析,并对叶片的应力计算及校核方法作了讨论,为小型H型垂直轴风车的叶片设计提供了参考。     

Aerodynamic design and analysis of a 10 kW horizontal-axis wind turbine for Tainan,Taiwan

The purpose of the present study is to develop a small-scale horizontal-axis wind turbine (HAWT) suitable for the local wind conditions of Tainan, Taiwan. The wind energy potential was first determined through the Weibull wind speed distribution and then was adapted to the design of the turbine blade. Two numerical approaches were adopted in the design and analysis of the HAWT turbine blades. The blade element momentum theory (BEMT) was used to lay out the shape of the turbine blades (S822 and S823 airfoils). The geometry of the root region of the turbine blade was then modified to facilitate integration with a pitch control system. A mathematical model for the prediction of aerodynamic performance of the S822 and S823 airfoils, in which the lift and drag coefficients are calculated using BEMT equations, was then developed. Finally, computational fluid dynamics (CFD) was used to examine the aerodynamic characteristics of the resulting turbine blades. The resulting aerodynamic performance curves obtained from CFD simulation are in agreement with those obtained using BEMT. It is also observed that separation flow occurred at the turbine blade root at the tip speed ratios of 5 and 7.     

考虑叶片旋转效应的风力发电塔架结构风-震耦合响应分析EI北大核心CSCD

中国风电场大多不可避免的建于地震频发地段,在风荷载作用下风机正常工作时发生地震是一概率极大的事件。因此,该文以西北地区某2.5 MW风力发电机为原型,对考虑叶片旋转效应的风电塔架结构在风-震耦合作用下的响应展开研究。利用谐波叠加法生成考虑叶片与塔筒的空间相干性的模拟脉动风速时程;基于叶素动量理论,计算考虑叶片旋转效应的叶轮载荷,并采用尾流模型计算塔筒尾流区塔筒面的载荷;基于有限元软件ABAQUS建立考虑叶片及机舱偏心的集中质量有限元模型并对风力发电塔筒结构在风-震耦合作用下的响应进行分析;探讨了地震输入时刻对于风-震耦合作用下风电塔筒响应的影响。研究结果表明:叶轮旋转效应及尾流对于风荷载的计算影响较大;风-震耦合作用可能使塔顶位移较风荷载单独作用下的小,基底应力接近地震单独作用下的基底应力值;地震动输入时刻对风-震耦合分析有较大影响,建议在设计时予以考虑。     

Fluid–structure interaction of FRP wind turbine blades under aerodynamic effect

Structural analysis of FRP wind turbine blades must take into account phenomena associated with aerodynamics as well as fluid–structure coupling, because aerodynamic loading causes blades to bend mostly in the flapwise direction, and simultaneously causes foil sections to rotate to create new fluid fields around the foils. This study developed an analytical process for calculating fluid–structure interaction, while considering the effects of aerodynamic pressure and finite element analysis in the design of wind turbine blades. In addition, we calculated turbine power efficiency to evaluate the results of fluid–structure interaction displaying approximately power capacity loss of 17% at a wind speed of 25 m/s, and proposed three feasible improvements to enhance the performance of wind turbines. The presented study provided a comprehensible means by which to interpret changes in the aeroelastic response of blades, and was helpful to modify the original wind turbine model.