基于CFD的垂直轴式风力机关键技术研究

在垂直轴风力机结构设计的基础之上,采用CFD技术对其流场及气动性能作了深入分析。根据分析结果来研究叶尖速比、叶片翼型、叶片安装角度等因素对风力机气动性能的影响,得出了翼型在叶尖速比λ=2、风速约为12 m/s时,风力机风能利用率最大,从而为风机叶轮优化设计提供了参考。     

垂直轴风轮叶片翼型的性能对比分析

提出基于Profili软件与Fluent软件的风力机翼型性能快速准确对比方法。基于正问题设计给出一种新的叶片翼型,对比新翼型和初始翼型的几何形状、气动系数和流场分布情况。研究发现:新翼型上下表面的压差明显增大,其综合特性优于初始翼型。采用数值模拟和试验研究相结合的方法,对采用上述两种翼型的垂直轴风力机的气动性能进行分析。结果表明:推动新风轮的合力矩要高于初始风轮受到的合力矩,新风力机的启动特性有了明显改善,单位时间的发电量至少增加了10%。     

风力机叶片内侧翼型综合改型对翼型气动性能影响

针对风力机叶片内侧翼型,研究其改型前后的气动性能,揭示在叶片内侧相对厚度、相对弯度、尾缘厚度综合改进翼型的规律。通过Profili和Matlab软件对翼型相对厚度、相对弯度和尾缘厚度参数化处理,用Profili和Fluent软件数值模拟,对比原始翼型和改进翼型升阻力系数、升阻比及翼型表面压强和速度分布。结果表明:综合改进翼型不能单纯将相对厚度、相对弯度、尾缘厚度按各自最佳综合改进,需进一步研究综合改进翼型方法;在叶片内侧保证结构强度的前提下,按相对弯度在最佳的基础上增大1%弦长左右,尾缘厚度在最佳的基础上减小2%弦长左右,改进后的翼型气动性能较好。研究结论可供风力机叶片翼型设计和改型量化参考。     

直角变桨阻力型垂直轴风力机气动性能研究

为了降低阻力型风力机逆风侧负转矩对风轮效率的不利影响,提出一种具有直角变桨功能垂直轴阻力型风力机。通过理论分析和计算,建立风力机的效率系数预测模型,得到风力机运行的最适宜叶尖速比和最大效率。利用数值仿真软件,使用动网格方法对风力机的运行状态进行瞬态仿真运算,分析风力机运行过程中的流场和气动参数变化。仿真结果表明：风力机在叶尖速比为026附近时效率最高,最高可以达到028。仿真结果基本符合理论预测模型计算结果。     

基于田口方法与CFD相结合的垂直轴风力机优化研究

为了进一步提升垂直轴风力机在低风速复杂城市风场中的捕能效率,采用CFD数值计算和田口试验相结合的方法,研究实度(σ)、桨距角(β)、阻尼(Cd)和密度比(ρ*)对五叶片垂直轴风力机(VAWT)气动性能的影响。将风力机的转动控制方程与流场控制方程联合求解,在数值计算中考虑风力机与流体的相互作用。研究结果表明：实度、桨距角、阻尼和密度比的变化对垂直轴风力机的气动性能有重要影响,在最优的参数组合下,五叶片VAWT的捕能效率可以达到13.537%。此外,通过对田口试验结果的分析,得到所研究的4个特征参数对五叶片VAWT气动性能的影响程度依次为：σ＞Cd＞β＞ρ*。     

风力发电机叶轮的气动性能数值模拟研究

利用CFD软件Fluent对风力机叶轮在额定风速下的气动性能进行数值模拟研究,通过仿真叶轮周围三维流场流态,得出叶片表面的压强分布、流速分布和速度矢量等流态图,并计算出叶片受力和转矩,验证了风力机叶轮气动性能数值模拟的可靠性,可为风力发电机叶片的优化设计提供技术参数和指导。     

粗糙度对风力机翼型气动性能影响的研究

为了得到粗糙度对翼型气动性能的影响,采用CFD数值模拟,研究了S809翼型布置粗糙度时的气动性能,得到了其敏感粗糙度;模拟计算了翼型吸力面和压力面分段布置粗糙度时,翼型升、阻力的变化;采用对称加厚的方式对S809翼型进行钝尾缘修型,并对最优修型和原始翼型气动性能进行了比较。结果表明:粗糙度0.5 mm是S809的敏感粗糙度,吸力面距离前缘5%、55%弦长位置和压力面相距45%、65%弦长位置是翼型粗糙度敏感位置;钝尾修型2%弦长为最优,修型之后的升力在布置粗糙度后有明显提升,综合指标数表明:改型翼型相比于原始翼型具有相对较低的粗糙度敏感性。     

大型风能发电机组叶片再设计系统研究

叶片的外形设计和翼型的选择是影响风力机性能和产能效率最为核心的技术。提出了一种大型风能发电机组叶片再设计的原理和方法,对叶片模型进行剖析,寻找几何特征,探索制约叶片形状的基本因素,确定叶片截面参数计算公式,利用所开发的叶片翼型自动生成系统,完成了叶片的再设计,并得到了实际应用。结果表明：这种再设计方法满足产品设计需求。     

大型风能发电机组叶片再设计系统研究（英文）

叶片的外形设计和翼型的选择是影响风力机性能和产能效率最为核心的技术。提出了一种大型风能发电机组叶片再设计的原理和方法,对叶片模型进行剖析,寻找几何特征,探索制约叶片形状的基本因素,确定叶片截面参数计算公式,利用所开发的叶片翼型自动生成系统,完成了叶片的再设计,并得到了实际应用。结果表明:这种再设计方法满足产品设计需求。     

风力机叶片覆冰翼型气动性能的数值模拟

以某1.5 MW风机叶片S818翼型为研究对象,建立了翼型流场有限元分析模型。采用基于Reynolds平均的Navier Stokes不可压缩粘性方程作为流动控制方程,对无冰翼型、霜冰、弦长冰及角冰翼型进行数值模拟分析,得到了-2°-20°攻角下不同厚度叶片翼型的升阻比、速度矢量和表面压力分布。研究结果表明：覆冰越厚,翼型的最大升阻比降幅越大。对于弦长冰和角冰在厚度达到一定值时,使得升阻比损失产生较大的突变。在覆冰厚度都为10 mm时,角冰的最大升阻比减幅最大,达到22.04%;其次是弦长冰为11.97%,霜冰的最小为6.41%。同时结冰后的翼型会提前进入失速区,导致桨叶气动性能恶化,降低了风机的功率系数。     

A design perspective on thermal barrier coatings

This article addresses the challenges for maximizing the benefit of thermal barrier coatings for turbine engine applications. The perspective is from the viewpoint of a customer, a turbine airfoil designer who is continuously challenged to increase the turbine inlet temperature capability for new products while maintaining cooling flow levels or even reducing them. This is a fundamental requirement for achieving increased engine thrust levels. Developing advanced material systems for the turbine flowpath airfoils, such as high-temperature nickel-base superalloys or thermal barrier coatings to insulate the metal airfoils from the hot flowpath environment, is one approach to solve this challenge. The second approach is to increase the cooling performance of the turbine airfoil, which enables increased flowpath temperatures and reduced cooling flow levels. Thermal barrier coatings have been employed in jet engine applications for almost 30 years. The initial application was on augmentor liners to provide thermal protection during afterburner operation. However, the production use of thermal barrier coatings in the turbine section has only occurred in the past 15 years. The application was limited to stationary parts and only recently incorporated on the rotating turbine blades. This lack of endorsement of thermal barrier coatings resulted from the poor initial duratbility of these coatings in high heat flux environments. Significant improvements have been made to enhance spallation resistance and erosion resistance, which has resulted in increased reliability of these coatings in turbine applications.     

PVD TBC experience on GE aircraft engines

The higher performance levels of modern gas turbine engines present significant challenges in the reli-ability of materials in the turbine. The increased engine temperatures required to achieve the higher per-formance levels reduce the strength of the materials used in the turbine sections of the engine. Various forms of thermal barrier coatings have been used for many years to increase the reliability of gas turbine engine components. Recent experience with the physical vapor deposition process using ceramic material has demonstrated success in extending the service life of turbine blades and nozzles. Engine test results of turbine components with a 125 μm (0.005 in.) PVD TBC have demonstrated component operating tem-peratures of 56 to 83 °C (100 to 150 °F) lower than non-PVD TBC components. Engine testing has also revealed that TBCs are susceptible to high angle particle impact damage. Sand particles and other engine debris impact the TBC surface at the leading edge of airfoils and fracture the PVD columns. As the impacting continues, the TBC erodes in local areas. Analysis of the eroded areas has shown a slight increase in temperature over a fully coated area ; however, a significant temperature reduc-tion was realized over an airfoil without TBC.     

前缘磨蚀对风力机叶片材料特性影响的数值研究

为探究风沙环境下前缘受损风力发电机叶片的载荷变化,基于有限元法对受损叶片进行数值模拟,研究不同载荷、不同冲蚀程度以及不同材料对叶片的应力、位移、固有频率的影响.结果表明:当冲蚀程度在0 mm×0 mm至1 mm×1 mm之间,冲蚀的深度和厚度对叶片应力的影响较小;叶片材料密度增大,风轮的转速增高,对叶片的应力影响较大;提高风速虽然使叶片气动载荷增大,叶片整体应力增大,但是应力趋势变化不明显;冲蚀程度增大对叶片位移影响较小;提高风速或者提高风轮转速会使叶尖最大位移增大,同时材料密度大的叶片位移更大;在叶片的前3阶模态分析中,冲蚀程度对叶片影响极小,在第8阶模态中,随着冲蚀程度增大,叶片的固有频率逐渐减小.     

风电叶片涂料用树脂研究进展

风电叶片作为风机设备的核心部位,保证其良好运行,既可以提高发电效率,又能降低维护成本.受自然环境的影响,长时间运行的风电叶片往往比较脆弱,尤其是叶片前缘部位,极易受到风沙及雨蚀的损坏,目前最简单有效的方法是使用涂料进行防护.根据风电叶片所处的工作环境特点,提出了对防护涂料的主要要求.介绍了适用于风电叶片防护涂料的基体树脂,包括聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、氟树脂、有机硅树脂和环氧树脂,并分别详细阐述了它们在风电叶片防护涂料方面的国内外研究进展及目前的应用.聚氨酯和丙烯酸聚氨酯树脂是目前使用最多的树脂,在高低温柔韧性、耐磨性及防风沙雨蚀方面表现优异,而氟树脂和有机硅树脂因优异的耐候性和防覆冰性也受到了越来越多的关注,环氧树脂则可以为叶片底漆提供优异的防腐性能和层间附着力.与使用单一树脂相比,针对不同树脂各自的特点,对它们进行合理搭配,制得的配套涂层体系往往可以达到更好的防护效果,这仍然会是今后的主要研究思路.最后指出了目前风电叶片涂料市场的国内外差距,并展望了风电叶片防护涂料未来的发展方向.     

Thermal barrier coatings for aircraft engines: history and directions

Thin thermal barrier coatings (TBCs) for protecting aircraft turbine section airfoils are examined. The discussion focuses on those advances that led first to TBC use for component life extension and more re-cently as an integral part of airfoil design. Development has been driven by laboratory rig and furnace testing, corroborated by engine testing and engine field experience. The technology has also been sup-ported by performance modeling to demonstrate benefits and life modeling for mission analysis. Factors that have led to the selection of current state-of-the-art plasma-sprayed and physical-vapor-deposited zirconia-yttria/MCrAlX TBCs are emphasized, as are observations fundamentally related to their behav-ior. Current directions in research into TBCs and recent progress at NASA are also noted.     

大气边界层内Magnus叶片设计与研究

由于地面黏度和地形粗糙度的作用,使得靠近地面的大气边界层处存在较大的风力梯度,该梯度作用于叶片上将产生叶片的转矩变化和俯仰力矩,从而导致输出功率的减少。为了提高输出功率,提出了一种基于马格努斯效应的阶梯型叶片。在整个研究中,将阶梯型叶片简化为分段自旋的圆筒,以NACA4418叶型作为对比研究对象。利用叶素动量理论对两种叶片进行分析与计算,研究表明:大气边界层的存在导致传统叶片的输出功率减少10%,而用阶梯型叶片代替传统叶片,其输出功率将增加近70%。同时采用计算流体动力学进行模拟计算,计算结果表明,传统叶片效率损失估计在4%~5%,而阶梯型叶片效率反而增至60%。     

Advanced Superalloy Airfoils

Significant progress has recently been made with regard to the elements that compose a modern gas turbine airfoil. These aspects include alloy, casting, coating, and internal cooling design. Current single-crystal super-alloy turbine airfoils represent a significant improvement in temperature capability over their predecessors, polycrystal and columnar crystal alloys. Single-crystal superalloy technology has combined the design of alloys for exclusive use in single-crystal form with advances in directional solidification to produce single-crystal castings with complex internal cooling passages. In addition, metallic and ceramic coatings have been developed to provide even greater temperature capability.     

大型风力机复杂叶片机器人自动喷涂路径规划

为缩短传统叶片制造过程中喷涂工艺所花的时间,设计一种单导轨双悬臂式单枪喷涂机器人,并制定一种针对大型复杂风力机叶片进行机器人自动喷涂的方案。先建立所喷涂叶片的三维模型,然后通过喷涂工艺参数和模型曲面外形特征来设计喷涂轨迹,再从轨迹线条中提取能够表示关键特征的三维坐标点数据,接着采用D-H参数对喷涂机器人进行建模,求取了运动正、逆解,从而把笛卡尔坐标系下的三维坐标转化为机器人关节参数。最后在此基础上通过RobotStudio软件进行仿真实验,验证喷涂工作是否顺利完成、所截取的插补点位、轨迹间隔是否合理,为大型叶片自动喷涂装置的研制提供参考。