风力机叶片动态性能与仿生特性研究

以750kW水平轴风力机为研究对象,利用ANSYS复合材料单元,建立了风力机叶片数值模型。应用叶片结构振动有限元方法,从植物叶片叶脉动、静态特性出发,研究分析了风力机叶片叶素形状与材料铺层因素对其振动模态的影响,并初步探讨了风力机叶片仿生植物叶片的可行性。结果表明:不同的叶素形状可以改变叶片惯性矩,惯性矩越小,叶片的振动性能越好,与植物叶片振动特性相似;叶片材料的铺层分布对其振动模态的影响存在一定的规律,并与植物叶片叶脉分布规律相对应;两种因素对振动模态的影响效果可以叠加。     

基于仿生设计的风力机叶片腹板力学性能分析

借鉴仿生学理论,对比树叶叶脉与风力机叶片腹板,以DTU 10 MW风力机叶片腹板为研究对象,建立了一种非规则仿树叶脉络分布的腹板模型,并采用有限元方法对仿生腹板与原始腹板进行静力学、模态及谐响应分析等力学性能比较。结果表明:仿生腹板较原始腹板更具柔性,吸收更多结构变形能,同时可节省二分之一材料;随着模态阶数升高,两种腹板固有频率差距越来越小;仿生腹板尖端位移、速度及加速度均小于原始腹板,仿生腹板在结构响应方面有较大优势,具有更好的抗共振性能。     

基于Wilson法风力机叶片设计及试验研究

基于MATLAB平台,采用Wilson方法设计了1台300 W水平轴风力机,通过筛选选择某S翼型进行叶片设计,并对其气动性能进行了计算。计算结果表明,S翼型风轮有效尖速比范围较宽,功率系数CP值在0.3以上的区域所对应的尖速比λ为4¹0.5,整体的功率系数变化平缓;最大推力系数CT在高尖速比时变化平稳;有效转矩系数CM为310.5,整体的功率系数变化平缓;最大推力系数CT在高尖速比时变化平稳;有效转矩系数CM为3¹2.3,S翼型叶片气动性能较好。自制风力机样机在低速风洞中进行试验,试验结果表明,在风速为412.3,S翼型叶片气动性能较好。自制风力机样机在低速风洞中进行试验,试验结果表明,在风速为4¹4 m/s时,与市场上某300 W传统翼型风力机相比,S翼型风力机功率平均提高了30.76%,尤其在风速为414 m/s时,与市场上某300 W传统翼型风力机相比,S翼型风力机功率平均提高了30.76%,尤其在风速为4⁶ m/s时,S翼型风力机功率提高较大,可以更好地利用中低风速。通过计算和试验研究可知,该S翼型适用于小型风力机叶片的设计。     

300 W风力机木芯叶片模态特性实验研究

300 W风力机叶片采用以樟松木为芯,外铺3层玻璃纤维的方式构成。对此樟松进行顺纹方向压缩实验,得到其破坏载荷7.32 kN,断裂强度62 MPa;对3层玻璃纤维进行拉伸实验,得到其破坏载荷1.3 kN,断裂强度4MPa。将此叶片近似看作悬臂梁,采用锤击法,用加速度传感器和力传感器结合软件对信号进行采集和分析,得到所需要的固有频率、振型及阻尼比。实验结果表明,该铺层方式下木芯叶片的1阶固有频率为23.30 Hz、1阶阻尼比为5.29%,并获得1阶挥舞振型,通过与木芯叶片风轮的转动频率20.01 Hz相比较,证明此木芯叶片发生共振几率较大,可为后续优化研究提供依据。     

某新翼型风力机叶片的设计与气动性能试验

利用作者所在课题组最新研发的某风力机新翼型,基于Wilson法,通过MATLAB编写的叶片设计计算程序获得了某300 W小型水平轴风力机新翼型叶片的相关数据,并制做了实体叶片。通过气动性能试验,验证了程序的可靠性。为进一步比较在相同设计条件下,新翼型叶片在气动性能方面的先进性,以NACA4415为设计翼型进行了叶片的设计计算,并制作了相应的翼型叶片。通过气动性能试验,验证了新翼型叶片的气动性能优于NACA4415翼型叶片。     

风力机叶片之研究

本文综述了国外近年风力机叶片的研究动向，涉及叶片材料，制造工艺，性能测试，特性分析等。     

复合材料与风力机叶片

叶片是风力发电设备的关键部件,随着风机容量的大型化,风机叶片也向轻量化、低成本和高性能化发展.阐述了风力机叶片技术的研发趋势,介绍了复合材料叶片设计、材料、制造、试验分析和验证等相关技术,给出了碳纤维在叶片上应用的现状、发展前景和有关叶片的新技术,提出了发展风机叶片技术的相关建议.     

基于响应面法的仿生风力机叶片可靠性分析

根据风力机的基本理论和相似理论在有限元软件ANSYS中建立了一个翼型为SG6050,半径为1m的小型风力机叶片模型,运用结构仿生学原理,对所设计的风力机叶片进行铺层,其角度范围介于5°～90°之间,为体现中轴的对称性,正负铺层同时出现。利用基于响应面法的可靠性理论,比较了不同铺层方式下风力机叶片的可靠性。计算结果表明:可靠指标较高的角度集中在40°～70°之间,而以65°铺层可靠指标最大,即其失效概率最小,而在5°与90°附近的铺层其可靠指标相对较小。     

仿生尾鳍垂直轴风力机数值研究

为提高垂直轴风力机气动效率,基于仿生学原理,以鱼类尾鳍为仿生对象,提出在翼型尾缘布置仿生尾鳍结构,通过主动控制使其随叶片方位角变化而运动。以NACA0021为基础翼型,通过计算流体动力学(CFD)数值模拟,研究仿生尾鳍对垂直轴风力机气动性能的影响,对比分析原始翼型、固定尾鳍以及施加控制策略的主动尾鳍翼型垂直轴风力机风能利用系数、单叶片转矩系数、涡量云图及压力系数。研究表明：主动控制策略下仿生尾鳍可有效抑制流动分离;风能利用系数较原始翼型及固定尾鳍翼型最大可分别提高18.3%和26.7%;可使最佳工况向低尖速比方向移动,提高垂直轴风力机运行稳定性。     

风力机叶片动力特性实验台设计

设计开发了一种风力机叶片动力学特性实验台,可以进行风力机叶片的静载荷实验、模态测试、叶片损伤测试、模拟桨叶结冰附着物载荷实验、桨叶疲劳载荷实验以及破坏性实验等。介绍了实验台的设备组成、结构特点以及该实验台的主要功能,在实验台上进行了风力机叶片的静态载荷实验和模态测试,得出了实验用风力机叶片的六阶模态参数,利用MAC、MOV两种模态判定准则对试验结果进行了验证。     

风力机变桨故障叶片载荷特征及仿生分形与原始结构对比研究

为探究切出风速下风力机变桨故障叶片的载荷及动力学特征,利用FAST软件进行数值计算,发现载荷及叶尖位移分别为变桨成功叶片的13.6和14.2倍,可知变桨故障叶片极可能发生结构失效断裂事故。为改善结构力学性能,提出结合仿生方法及分形理论的新构型叶片,并通过有限元分析与原始叶片进行对比,其中载荷边界条件来自以数据库方式存储FAST计算结果的叶片17段载荷数据。结果表明：仿生分形叶片重量及叶尖位移分别比原始叶片减少23.4%和19.7%;同时,结构屈曲分析显示,仿生分形叶片一阶屈曲因子为1.858,比原始叶片提高33.6%,极大增加了叶片结构安全性。     

风力机叶片高升力系数法的气动设计研究

在动量-叶素理论和Betz理论的基础上,结合PROPID软件进行功率为1.5 MW水平轴风力机叶片的气动设计研究。叶片气动设计采用高升力系数法,叶片剖面采用NPU-WA系列高升力、高升阻比风力机专用翼型,在叶片性能预测中采用叶尖损失、轮毂损失和Viterna失速模型。设计结果表明采用先进风力机翼型并运用高升力系数法设计的大功率风力机叶片的弦长较小,叶片面积较小,有利于减轻叶片的重量,同时降低制造成本。     

基于MATLAB的小型风力机叶片设计

结合Wilson设计方法流程,采用MATLAB语言编程,开发了小型风力机叶片气动设计的应用程序。利用该程序设计了一台10 kW小型水平轴风力机,采用CFD方法对所设计的的模型用FLUENT软件进行单流道分析计算。流场分析结果表明,编制的软件提高了初期设计效率,具有直接形成结构实体的特点,缩短了小型风力机叶片CFD分析前处理时间。     

柔性桨风力机的设计与试验

在理论研究的基础上,对柔性桨小模型风力机进行了结构设计和试验研究。试验结果表明,该机型在较宽的风向角范围内具有输出功率稳定的特点,输出功率的最大值出现在风向角β=-10°附近。     

风力机叶片翼型气动性能设计计算方法的分析与研究

基于翼型理论和线性动量理论对叶片翼型截面升力公式的计算,导出对非设计工况来流角计算的迭代式.应用牛顿-拉普森迭代法对来流角进行计算,根据结果再计算叶片截面的升力、推力、切向力、功率等气动参数.提出一种风力机叶片翼型气动性能的计算和校核设计方法.     

大型风力机叶片气动噪声研究

首先利用SST k-ω湍流模型验证设计叶片在额定运行工况下的气动性能。然后运用大涡模拟(LES)和Lighthill声类比相结合的方法,模拟额定工况下叶片径向5个截面的气动涡流噪声,并确定声源分布,分析声传播特性,进而提出降低风力机气动噪声的措施。研究表明叶片尾缘是其主要声源部位;传播过程中近场受尾流影响明显,而远场基本不受影响;相对风速对于噪声的影响远大于攻角影响。     

风力机叶片静力测试与分析

利用风力机叶片动力特性实验台测试了风力机叶片在载荷作用下的形变特性,通过改变加载力的大小和加载位置进行多组实验,计算各个截面的弯矩;通过实验和有限元静力分析找出了风力机叶片主要承力部件,对风力机叶片的设计和制造提供了参考依据,对提高风力机的总体性能和优化设计具有重要意义。     

叶片旋向对风力机尾流特性影响的试验研究

采用一种简单、有效的方法来改善风力机尾流效应,提升下游风力机功率。进行叶片旋向对风力机尾流特性的试验研究,利用低频粒子图像测速（PIV）系统对NACA4415翼型的叶片进行扰流流场测试并采集风力机的尾流数据。当2台串列排布的风力机旋向不同时,首先在下游风力机前1D（D为风轮直径）处,叶尖涡涡核位置向中央尾迹区偏移,而外部主流区的流体在叶尖涡诱导区的输运和卷吸作用下持续进入中央尾迹区并与之掺混使得轴向速度恢复得更佳;进而分析下游风力机后1D的流场数据,结果显示：虽然下游风力机叶尖涡几何结构被“打碎”,但涡核能量却未降低;最后探讨影响风力机功率特性的因素,下游风力机入流角的增大促使下游风力机捕获更多风能,在风轮间距为2D时,逆向旋转的功率比比同向旋转时高4.70%,且功率比随间距增加其增幅逐渐减小。     

风力机叶片双锤作动疲劳加载系统及试验研究

设计一套双作动器共振型风力机叶片疲劳加载系统,对系统能量耗散计算及动力参数匹配,基于多级网络模式制定共振疲劳加载控制策略。对同步控制策略与算法进行研究,确立虚拟主令点动控制方式,采用配重块优化叶片展向弯矩分布误差,以振幅偏差及加载频率为输入输出建立控制系统,控制器基于控制同步方式驱动伺服电机,搜索跟踪共振频率,对振动参数数据采集、存储与分析,实现叶片等幅稳定振动。现场试验结果表明,系统控制同步有效,共振频率搜索与跟踪效果较好,共振时叶片振幅误差保持在5%之内,刚度无明显变化,试验精度与效率得到提高,可为风力机叶片疲劳加载的工程应用提供理论与试验参考。     

风力机叶片翼型优化设计

为设计出气动性能优异的风力机翼型,运用CST参数化方法表述翼型外形特征以控制翼型型线,利用自适应遗传算法耦合XFOIL软件的翼型优化方法,以翼型NACA 63-215为优化算例,在设计工况下寻优,得到一种升力系数、阻力系数、升阻比、力矩等气动特性均较NACA 63-215更优的翼型,证明了该优化方法的可行性,为风力机翼型优化设计提供了参考。