双转子对旋风轮设计及三维数值验证

详细分析了Betz理论和Schm itz理论的优势和不足,给出了对旋式水平轴风力机设计流程,设计了小型双转子对旋式风力机,结合三维数值分析手段对所设计的风力机进行了设计工况的流动分析,研究结果表明:(1)Schm itz理论相对合理,但仍然存在缺陷,依据该理论所计算的翼型根部安装角过大;(2)双转子对旋式风力机在工程上是可实现的,本文所设计的风力机基本达到设计目标,下游风轮输出功率大于上游风轮;(3)设计工况下所设计的双转子对旋风力机两排叶片吸力面没有出现分离,压力梯度控制合理,均工作于比较理想的气动状态下。     

Wilson法对旋风力机气动设计与数值模拟

提出了Wilson法设计上游风轮,利用尾流模型得到下游风轮处轴向风速,代入Wilson法设计下游风轮的设计思路,完成3kW同半径同尖速比的对旋风力机设计。通过数值模拟与基于动量叶素理论及Glauert修正方法的理论程序,对风力机上游风轮进行变转速性能验证,两者均显示在设计点风力机功率系数达到较高值,CFD结果0.455略低于程序结果0.563。对旋风力机数值模拟显示功率系数可达到0.501,较单级功率提高10.11%,设计点处两级风轮转速达到最佳匹配。     

基于最大风能利用系数的风力机翼型设计

以叶素动量理论为基础,对翼型风能利用系数进行循环迭代以求解其最大值,同时分析翼型在各段升阻比范围内升阻比增加对风能系数的影响.针对风力机展向各处对翼型设计的不同要求,基于翼型型线与噪声预测理论,综合考虑翼型的前缘粗糙度敏感性、非设计工况特性、失速特性、噪声特性以及风力机的使用寿命,提出以多攻角范围内翼型风能利用系数为设计目标来设计翼型的新方法.计算实例选取相对厚度为18%的翼型进行优化计算,得到一种性能优越的风力机专用翼型,通过和风力机常用翼型NACA 63418在雷诺数Re=2×106和Re=6×106下自由转捩和固定转捩两种工况时性能的综合比较,新翼型在5°～14°攻角范围内具有良好的粗糙度敏感性、非设计工况特性、失速特性以及低噪声,同时也具有更高的风能利用系数,很好地满足了风力机专用翼型的设计要求.     

钝尾缘翼型对5MW风力机性能影响的研究

目前国内外对钝尾缘翼型的研究主要集中于翼型的改进方式与二维气动性能的模拟,对钝尾缘翼型应用于风力机时对其性能影响的研究较少,然而钝尾缘翼型应用于风力机时由于旋转效应的存在叶素翼型之间会发生相互影响。为了更好的研究钝尾缘翼型,了解钝尾缘翼型对风力机性能的影响,对NREL 5MW风力机叶片内侧翼型进行对称钝尾缘修型,分析二维翼型气动性能,发现一定范围内,翼型的升力系数、升阻比均随尾缘厚度的增加而增大。对原风力机进翼型替换,模拟并对比两类风力机的性能,研究表明改型后风力机的输出扭矩高于原机,而且随风速增大改型风力机的优势变得越来越突出;然而在相同工况下,改型后风力机的轴向力也大于原机。     

气动载荷作用对大型风力机叶片-塔架净空影响分析

针对DU翼型水平轴风力机,为了探究气动载荷作用对风力机叶片-塔架净空的影响,利用GH Bladed对5 MW风力机进行仿真计算,通过探究风速、桨距角、功率对风力机叶片-塔架净空的影响,分析了叶片-塔架最小净空工况下叶片的结构动态响应,证明了风力机运行的安全性。结果表明,通过理论计算与仿真计算对比发现,最小净空值误差小于3%,验证了计算的准确性;风速增大会导致风力机输出功率增加,为保证风力机安全运行下恒功率输出进行变桨调节,使得桨距角增大,叶片-塔架最小净空随着桨距角的增大而增大;叶片结构变形随风速的变化趋势一致,保持良好的相似性,叶片-塔架最小净空值出现在风速为11.5 m/s的工况。     

对旋风机两级叶轮等功率R2变转速试验研究

为了解决对旋风机第二级叶轮过载、运行压升及效率过低的问题,提出了两级叶轮等功率第二级叶轮变转速运行方法,搭建了试验平台进行风机的性能对比研究。研究表明:两级叶轮等转速运行时,第二级叶轮在小流量工况时功率迅速增大,易产生过载现象;在大流量工况时功率迅速减小,使得整机的压升与效率迅速下降。采用两级叶轮等功率第二级叶轮变转速运行,能够减小小流量工况第二级叶轮的功率负荷,从而避免第二级电机过载;能够增加大流量工况整机的压升与效率,从而增大整机的高效工作范围及阻塞裕度,拓宽对旋风机的使用范围。     

基于连续攻角的风力机翼型整体气动性能提高的优化设计

目前风力机翼型都是考虑单点设计攻角而开发出来,以追求局部气动性能的极大值,而忽略了连续设计攻角范围内翼型整体气动性能。结合翼型泛函集成理论及复杂型线表面曲率光滑连续性思想,提出连续攻角情况下风力机翼型廓线设计新方法,以解决翼型优化设计中其气动力难以收敛这一关键问题,并实现翼型整体气动性能的提高。将连续攻角情况下设计出来的WQ-B翼型与单点攻角情况下设计出来的WQ-A翼型进行了气动性能对比分析;并将WQ-B翼型系列应用到实际2 MW风力机叶片中。研究表明:相比WQ-A翼型及实际叶片,WQ-B新翼型系列及叶片整体性能均有显著提高。该研究不仅验证了该设计方法的可行性,而且也表明WQ-B翼型系列具有广泛的通用性及可置换性。     

风力机叶片气动载荷的优化研究

为了研究垂直轴风力机的叶片气动性能,利用流固耦合法模拟了垂直轴风力机在实际工况下的气动载荷分析,模拟结果表明,由于翼型后部较薄,受到的变形应力最大。为了避免因叶片变形而引起风力机整体气动性能下降,提出了通过加大翼型后部厚度的方案来提高叶片的强度,并通过数值模拟对改进后的翼型做了气动性能分析,得出了适当的增加翼型后部厚度,并不会对翼型气动性能造成太大的影响,验证了此方案的有效性。这些研究结论为今后垂直轴风力机的设计制造提供了一定的参考依据。     

低雷诺数下翼型静、动态性能分析

对NACA0015翼型进行了静态、动态分析。结果表明:静态条件下,风速一定,弦长增加时,失速角增加,阻力系数减小;翼型动态振荡情况下,失速攻角大于静态失速攻角,失速延迟现象明显。同时翼型在上俯运动和下沉运动经过同一攻角时,升力系数差异大,会形成滞环现象。     

翼型与弦长对直线翼垂直轴风力机起动性能影响的数值模拟

为了探究翼型与弦长对直线翼垂直轴风力机起动性能的影响，选择了NACA0018、NACA0026、S809以及S1046四种翼型，40mm、60mm和80mm三种叶片弦长进行研究，其中S809翼型采用正装和反装两种方式。对不同条件下风力机的静态力矩性能以及转速性能进行数值模拟研究。静态力矩性能研究表明，随着叶片弦长的增大，风力机平均静态力矩增大。通过对比不同翼型的结果发现：NACA0026翼型平均静态力矩系数最大且达到稳定时间最短，S809翼型起动性能最差且反装时平均静态力矩系数最小，SI046翼型稳定转速最高。转速性能研究表明，叶片弦长的增大会增大叶片的质量，进而增大转动惯量，使得风力机的起动性能降低。本研究将对直线翼垂直轴风力机的设计提供有益的参考。