动态尾流模型在水平轴风力机气动性能计算中的应用

根据势流理论导出风力机动态入流对速度诱导因子及推力系数的影响,建立了动态尾流气动模型.改进了风力机动态过程分析中传统的准稳态平衡尾流近似模型,从而较真实地反映尾流动态滞后和动态诱导速度场,更适用于风力机动态气动分析.应用该动态气动模型开发了风力机动态气动性能计算程序,对一台1.3MW失速调节型风力机进行了气动性能计算.通过比较动态尾流模型和平衡尾流模型处理阶跃风和阵风等动态过程的计算结果,分析了动态气动模型及其数值方法的正确性和实用意义.     

基于致动线和大涡模拟的不同入流风况下的风力机尾流特性研究

风力机的尾流效应是风电场规划与设计中需要考虑的重要因素之一,准确评估风电场的尾流效应对于风电场微观选址、保障机组运行安全、提高风电场经济效益有着重要的意义。文章以NREL 5 MW风力机为对象,基于致动线和大涡模拟方法,研究其在均匀入流和切变入流等不同风况下风力机的尾流特性,入流风况分别为在不同风速下的均匀大气入流和在不同地表粗糙度情况下的切变大气入流。研究结果表明:入流风速增大,尾流区螺旋状叶尖涡的涡间距增大,尾流速度恢复的距离越长;地表粗糙度长度增加,在塔筒竖直方向内相同高度对应的风速减小,导致塔筒产生的阻力减小,风力机塔筒形成的涡更容易发生脱落和破裂,进而导致脱落涡的涡量值增加。研究结果有助于准确地理解风力机尾流发展变化规律,为风电场微观选址、风力机功率预测等工作提供理论支持。     

风电场尾流效应模型研究

以风电场内风速分布为研究对象,采用Abramovich射流理论建立风力机全场尾流模型(简称AV尾流模型),确定单台风力机的尾流影响边界;计及风电场拓扑、风速、风向变化等因素建立风电场尾流效应模型。通过对某风电场尾流模型仿真研究,得出风电场拓扑、风电场输入风速、风向对风电场尾流效应的影响规律,进一步确定风电场内速度分布,为风电场建模和动态特性研究服务。     

风力机动态模拟器的仿真研究

为了满足实验室研究风力发电技术的需要,该文设计了动态风力机模拟器。在分析实际风力机与模拟系统差异的基础上,综合考虑了风力机的风剪效应、塔影效应及其风力机的大惯量特性,提出了转矩指令动态补偿的转矩模拟方案。详细分析了惯量补偿的原理,并对其正确性进行了数学论证。理论分析和仿真结果表明,模拟系统的动特性与风力机的理论动特性高度吻合,可方便地用于实验室条件下的风力发电技术研究。     

风力机不同排列方式下尾迹数值模拟

为了避免风电场中尾流效应对风力机之间的相互影响,而找出不同排列方式下风力机之间的最佳距离,文章采用CFD商用软件对两台风力机分别在串列、并列以及三台风力机在错列的排列方式下,采取不同的安装间距进行模拟,根据其功率输出结合尾流理论和实际情况,找到了不同排列方式下风力机之间的最佳距离。通过对单台风力机、两台风力机并列和串列以及3台风力机错列进行了模拟计算,其结果表明:两风力机串列布置时,上游风力机对下游风力机影响甚大;并列布置时,两风力机之间影响甚微;错列布置时,下游风力机处在两个上游风力机的中间,避免了上游风力机尾流直接的影响。     

考虑纵摇工况的漂浮式海上风机尾流特性数值研究

海上风-浪-流的存在使得海上风力机平台会产生六个自由度方向的运动。为研究纵摇运动对海上风力机尾流特性的影响,基于OpenFOAM平台,采用RANS方法的k-ε模型和重叠网格技术,考虑风剪切来流和简化的漂浮式平台六自由度运动条件,对纵摇状态下的风力机尾流进行数值研究。研究结果表明,纵摇工况下的风力机尾流恢复速度更快,且尾流恢复速度会随着纵摇运动的频率和幅值增加而增加。当纵摇运动的振幅较小时,近场尾流的风速恢复会受到一定的影响,而对远场尾流影响不大;当振幅较大时,纵摇运动会加速全部尾流区域的风速恢复,并出现更为明显的扩散现象。研究结果对揭示漂浮式海上风电机组纵摇运动下尾流产生和扩散的机理有一定的意义,为完善漂浮式海上风电场尾流损失模型提供了一定的物理基础。     

基于激光雷达扫描数据的湍流强度影响下风力机尾流特性研究

以张家口市某风电场作为实验场地,利用激光多普勒雷达(WindMast WP350和Wind 3D6000分别扫描风力机的来流和尾流)对风力机的尾流以及风场风况进行测量,并分析湍流强度变化以及探究湍流强度对风力机尾流特性的影响。研究发现,随时间改变的大气环境对湍流强度的影响较为明显,而高度对湍流强度的影响较小;湍流强度对风力机尾流有较大影响,湍流强度越大,则尾流恢复越快且尾流宽度和深度越小;随着沿轮毂中心轴向距离的增加,尾流速度衰减在尾流发展4D～6D(D表示风力机直径长度)后加速下降。     

动态风工况下复杂地形风电场流场多尺度仿真

首先在秒级风速数据的基础上构建动态风速函数模拟真实风速工况,同时基于高程数据构建某真实复杂地形的三维结构图。基于格子玻尔兹曼方法并结合自适应格子排布,对复杂地形风电场非定常流场进行数值计算,得到该风电场的风资源分布。之后在典型位置布置2台2 MW风力发电机,考虑真实风力机叶片的动态旋转计算风力机及真实复杂地形在动态风工况下的流场。研究实际复杂地形和动态风速下风电场的风速分布及尾流结构演变规律。结果表明：该方法可实现对复杂地形在动态来流风速作用下的风资源分布预测,并考虑风力机小尺度尾流结构实现对真实风电场流场的多尺度仿真。     

风力机沿主导风向单列优化布置的研究

在主导风向下,考虑尾流效应,采用不同的风力机布置形式,比较风力机总产能,进而得出风力机沿主导风向单列布置的优化模型。在有限的长度范围内,随着沿主导风向布置的风力机间隔的减小,风力机总产能增大。文章研究了采用不同的威布尔参数k和c对风力机总产能的影响,在风力机间隔不变的情况下,形状参数k增加会导致风力机总产能的减少,尺度参数c增加会导致风力机总产能的增加。     

风氢耦合系统能量管理策略研究

针对风力机出力的波动性和并网弃风问题,采用风力机/电解槽/燃料电池/超级电容的风氢耦合发电系统及其能量管理控制策略。针对风氢耦合发电系统的12种运行模式,提出一种能量管理控制策略,确保在各个控制单元的作用下,能量协调流动于各个子单元间。能量管理控制策略不仅使风氢耦合发电系统出力可控,而且平抑了直流母线电压波动,平滑了上网功率。通过Matlab/Simulink软件进行仿真研究,验证了风氢耦合发电系统的能量管理控制策略的有效性,提高了风电消纳能力。     

叶片厚度分布对流道式叶片性能的影响分析

基于三维可压缩流体N-S方程和Spalart-Allmaras湍流模型,对多级离心压缩机中间级进行数值计算,研究了不同叶片厚度分布规律对流道式叶片性能的影响。通过分析不同模型级设计工况和变工况的特性及压力场、速度场分布,获得流道式叶片效率和损失分布的变化规律。结果表明:0.6倍厚度(即9.00 mm)的叶片有最高的级效率82.82%和最大压比1.483,同原有叶片厚度的模型级相比较,整级效率增加1.46%。流道式叶片厚度的变化对压缩机稳定工况的范围影响不大。从近喘工况到堵塞工况,薄叶片在总体性能上优于厚叶片。在近喘工况下,旋涡区分布于叶片进口吸力面;近堵工况下,旋涡区分布于叶片压力面。     

风轮尺寸与旋向对双风轮风力机功率特性的影响分析

为掌握双风轮风力机风轮尺寸与旋向对其功率特性的影响规律,文章建立了双风轮风力机气动特性分析模型,并与美国国家能源部可再生能源实验室的实验结果进行了对比,计算分析了双风轮尺寸和旋向对风力机功率特性的影响规律。结果表明:当风速为10 m/s时,设计的双风轮风力机比单风轮双叶片风力机输出功率提升了84.9%;随着风轮半径增大,双风轮风力机输出总功率逐渐增加;当前、后两风轮反向旋转时,双风轮风力机前风轮大后风轮小的布局可获得更高的输出功率,且增幅随着后风轮半径增大先减小后增大,最大增幅为5.3%;除前、后两风轮半径相同的情形之外,双风轮风力机前、后两风轮同向旋转时输出总功率更大。     

圆形孔排的气膜冷却曲率实验研究

在低速大尺度叶栅风洞中对放大五倍的叶片模型进行实验,采用红外热像仪进行温度场的测量,研究在叶背表面不同曲率位置、不同主流Re、不同吹风比对气膜冷却效果的影响.结果表明:叶背处气膜冷却效果随着吹风比的增大而降低;主流Re对冷却效果有不同程度的影响,在吹风比不变时,冷却效果随Re增大呈现出先增大后减小的趋势;凸面曲率特征的气膜冷却容易造成射流脱壁,沿程冷却效果下降幅度较大,在附着区域相对较小;在研究范围内,气膜冷却效果随着曲率值的增加先增加再减小.     

Transformation algorithm of wind turbine blade moment signals for blade condition monitoring

To simplify signal analysis on wind turbine blades and enable their efficient monitoring, this paper presents a novel method of transforming blade moment signals on a horizontal axis 3-blade wind turbine. Instead of processing 3-blade moment signals directly, the proposed algorithm transforms the three sinusoidal signals into two static signals relative to the center of blade rotation through vector synthesis and coordinate transformation, and eliminates frequency components due to blade rotation from the obtained signals. Moreover, as an alternative to a rotational sensor, a blade rotation angle estimator is introduced. Its effectiveness was confirmed through simulations and field tests on an actual wind turbine.     

Straight-leaned blade aerodynamics of a turbine nozzle blade row with low span-diameter ratio

Compound-leaned blades have been applied for the design of turbomachinery for reducing secondary flow losses and then improving the aerodynamic performance. The aerodynamics features are not clear enough so far and, therefore, have been investigated by many authors experimentally and numerically. The present study on turbomachinery aerodynamics is emphasized on the leaning effects of straight-leaned turbine nozzle blades with low span-diameter ratio (less than 0.1). This kind of blades has relatively low efficiency. This is due to that the blades are too short and then the loss contours of both tip and hub surfaces are merged with each other. How to increase the efficiency becomes one of the important subjects, which is faced to the turbomachinery community. Effects of straight-leaned blades in a turbine nozzle blade row with low span-diameter ratio have been assessed using three-dimensional steady Reynolds-averaged Navier-Stokes computations.     

基于流固耦合的风力机叶片模拟分析

文章选取风轮直径为2 m的水平轴风力机为研究对象,采用数值模拟计算的方法研究叶片在不同工况下的位移及应力/应变。研究结果表明:气动载荷使叶片产生挥舞方向的变形,且在展向上有较大幅度的位移;随着风轮转速的增加,叶片的位移有明显的增加,沿弦向前缘压力大于后缘的压力,沿展向叶根处变形要小于叶尖。     

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.     

Experimental investigation of the influence of blade height and blade number on the performance of low head axial flow turbines

Investigations regarding the influence of design parameters in low head axial flow turbines like blade profiles, blade height and blade number for micro-hydro application continue to be inadequate, even though there is a need and potential for the application of such turbines. This inadequacy provides a good ground to make a detailed experimental study to characterize these influences.The paper presents a holistic theoretical model that attempts to bring out a functionality of the internal performance parameters of the runner and attempts to establish a physical relationship between the two design parameters (blade height and blade number) and the performance parameters.The experimental results on 3 runners showed that with an increase in the number of blades, the efficiency of the runner dropped drastically due to the change in direction of the relative flow vector at the runner exit, which decreased the net rotational momentum and increased the axial flow velocity. The decrease of blade height on the other hand decreased the overall runner loss coefficient quite drastically but this could not result in major performance gains.The study concluded that the influence of blade number is more dominating compared to that of the blade height and that choice of blade number should be carefully made. On the hydraulic level, the study found interesting effects like the slip phenomenon and loss mechanisms within the runner. The paper also looks into the possible errors within the theoretical model developed and the extent of their influence on the conclusions. The paper suggests more experimental studies to separately study the effects of blade number and blade height. It further makes a strong case to initiate a computational work to validate all the experimental findings, fill the gaps in the theoretical model and use it as an optimization and standardization tool for axial flow turbines in the specialized application of micro-hydro.     

大型水平轴风力机叶片应力特征分析

基于ANSYS软件,对某款1 500 kW大型水平轴风力机叶片的应力特征进行了分析.该水平轴风力机叶片在极限挥舞载荷的作用下,叶片大梁和叶根的整体应力水平比较高,而剪切腹板和翼板上的整体应力水平比较低,这说明叶片大梁和叶根是叶片的主要承力部件,而剪切腹板和翼板主要作用是维持叶片结构的稳定性.另外,在叶根与剪切腹板相接的角点上存在应力集中现象,其最大应力为228 MPa,但是,剔除应力集中点后,叶片大梁上的应力比叶根高,叶片大梁中部约1/3区域的应力都比较高,其最大应力为211 MPa,平均应力为180 MPa左右.此外,该叶片的最大应力仅为所采用的玻纤,环氧复合材料拉伸强度的34.8%,说明该叶片的铺层结构设计是偏于安全的,可以适当提高叶片挂机运行时的额定发电功率.