气弹耦合作用下旋转对海上风力机叶片振动特性的影响

针对大型风力机叶片,采用UG软件完成了叶片的实体建模,利用ANSYS开展了气弹耦合作用下旋转叶片振动特性的模拟和分析。结果表明:旋转不但显著增加了叶片位移和应力响应峰值,而且加剧了响应曲线的波动,旋转效应的贡献先减小后增大且随来流风速的增加呈现相同的变化;随着转速或来流风速的增加,叶片最大位移及其增幅沿翼展方向均呈非线性增长趋势,叶片根部和中部应力峰值的增幅均较为明显。结果可为风力机叶片优化设计提供技术参考。     

双叶片立轴风力机及其性能分析

提出了一种新型的双叶片风力机,建立了该风力机的计算模型,基于对叶片的运动学和空气动力的分析,导出了其性能参数的计算方法。结合设计实例,对该风力机的性能进行了仿真分析,结果表明:双叶片风力机在一定的风速和负载下能稳定地运行,最大风能利用率随输出转速呈抛物线规律变化,存在使风能利用率最大的最佳输出转速。     

双排涡流发生器高度参数对风力机气动性能影响的研究

为了研究双排涡流发生器高度参数对风力机气动性能的影响,以NREL Phase VI风力机叶片为模型,采用CFD方法分别对加装单排涡流发生器、不同高度参数双排涡流发生器共10种模型进行模拟,分析其在不同风速、转速下对风力机叶片气动性能的影响。计算结果表明,所有不同高度参数双排涡流发生器在不同转速、来流风速时,均能提升风力机叶片气动性能,改善风力机流场。其中,第一排涡流发生器与第二排涡流发生器高度差越大时,双排涡流发生器整体流动控制效果最好,即最佳高度参数Case 4(第一排涡流发生器高度3 mm,第二排涡流发生器高度9 mm)前低后高组合。同时,最佳高度参数双排涡流发生器和单排涡流发生器相比能进一步延迟流动分离,取得更好的流动控制效果。     

风力机叶片气动外形优化设计综述

近年来,可再生能源发展很快,包括太阳能、风能、水能等,其中风力机是风能发电的主要形式。风力机通过叶片的转动将风能转化为机械能,故叶片对风的捕获能力是风能利用效率的重要影响因素,这涉及风力机叶片空气动力学问题,而叶片气动外形设计对其气动效率有着至关重要的作用。首先介绍了风力机空气动力学理论和气动计算模型,它们是气动设计的基础,然后分别介绍了传统的气动外形优化设计方法和现代优化设计方法。指出了风力机叶片设计的多学科、多目标发展趋势,以及开发风力机设计软件的迫切需要。     

分布式能源用垂直轴风力机的结构优化设计

基于计算流体动力学(CFD)平台,以k-ε模型求解N-S方程的方式,分析了垂直轴风力机(VAWT)的三维结构,对分布式能源用小型垂直轴风力机的特性进行了建模与仿真计算,并通过结构对比分析,对结构进行了优化设计。在将现有叶片中的直平板改为流线型设计结构后,大大提高了该垂直轴风力机的风能利用系数。而在叶片中间加入小挡板后对提高垂直轴风力机的风能利用不明显。此外,对比验证了三种叶片结构风轮的性能,确定了该类垂直轴风力机最佳叶片数。为该类垂直轴风力机的设计与优化提供了借鉴和参考。     

2000～2007年风力发电设备市场评估及2010年综合预测

风电设备概述 风机是基本的风能转换设备,按主轴装置形式大致可分两大类：垂直轴风力机（转轴与来流方向垂直）、水平轴风力机（转轴与来流方向垂直）。目前较常用的大型机组为水平轴风力发电机,其主要有定桨距失速调节型和变桨距调节型两大类。对水平轴风力机而言,当风流经过叶片表面时,由于流经上下表面速度不同,形成压差产生气动力,这种气动力就使得叶片绕轮毂转动。风力发电机就是利用叶片转动的动力经调速装置增速稳定后,驱动发电机工作达到发电目的。     

L小翼对风力机气动性能的影响

以NREL 5MW水平轴风力机为研究对象,通过数值模拟方法,研究了未偏航状态和偏航状态下L小翼（β=45°、a=2m）对风力机气动性能的影响。通过分析叶尖处速度矢量图可知,安装L小翼能够降低叶尖扰流下洗速度,改变叶尖环量分布,减小叶尖涡强度,延缓叶尖处气流与叶片过早分离,增大了叶片上下表面压差,在较宽风速范围内提高了风力机的输出功率。当风力机处于偏航状态时,L小翼对风力机功率增升作用随着偏航角度的增大逐渐减小,随着风速的增大,功率增升作用先增大减小,在额定风速时功率增升效果最明显。L小翼增加了叶片转矩的同时降低了叶片输出转矩和轴向力的波动,改善输出电能品质,提高叶片抗疲劳性能,增加叶片使用寿命。     

压气喷气式自启动垂直轴风力机设计与气动性能研究

本文主要致力于改进升力型垂直轴风力机的自启动问题,同时保持较高的风能利用率.常见的升力型垂直轴风力机启动方法主要是用阻力型叶片带动升力型叶片转动,但是升力型的叶轮启动后高速转动时,阻力型叶轮对升力型叶轮的旋转会产生干扰,降低整体风力机对风能的利用效率.本文研究了一种压气喷气式升阻组合型垂直轴风力机启动装置,同时对风力机...     

具有鸟翼轮廓仿生槽的动静压气体轴承静态特性分析

基于仿生学原理和几何重构法,在动静压气体轴承上设计具有鸟翼轮廓仿生槽,以提高其承载能力及刚度。运用变分法求解雷诺方程并使用FLUENT软件,对鸟翼轮廓仿生槽动静压气体轴承进行静态特性仿真分析,研究轴颈转速、供气压力、偏心率、槽深以及槽偏角对轴承静态特性的影响。结果表明：在偏心率相同时,随着轴颈转速的增加,轴承承载能力和刚度随之增大,随着供气压力的增加,轴承承载能力逐渐增加、刚度逐渐减小;当气膜厚度一定时,随着槽深的增加,轴承承载能力和刚度呈现先增加后减小的趋势,随着槽偏角的增加,轴承承载能力和刚度呈现先增加后减小的趋势。     

基于IABC算法的风力机叶片参数优化

为了降低风力机叶片的单位输出能量成本,改善风能利用情况,将风力机叶片的弦长、扭角和相对厚度参数作为设计变量,建立了叶片单位输出能量成本最小的目标函数,运用改进人工蜂群算法(IABC算法)对风力机叶片不同截面进行参数优化,并对叶片单位输出能量成本进行分析和验证。研究表明,某2MW的风力机叶片经优化后,年输出能量增加了0.5%,叶片成本减少了1.9%,叶片单位输出能量成本降低了2.4%。     

一种移动式集风装置的性能分析

为了提高风能利用率,扩大风力发电系统的风速利用范围,提出了一种沿轨道移动的收缩管状集风装置,并对其性能进行了研究。当风速较小时,气流在收缩管中加速,提高了风能密度,降低了风力机的启动风速;在风速较大时,收缩管受到较大的风压力沿轨道向后移动,装置内风力机处增加的风速较小,使风力机可以继续正常工作。从风速均匀稳定变化的角度出发,分析了气流马赫数随直径变化的关系;基于连续性方程和伯努利能量方程,考虑收缩管移动时开槽缝隙的影响和流动过程中的能量损失,对连续性方程进行修改,用来描述风速变化在装置内部的动态特性。数值模拟和实验结果表明,移动式集风装置可以减小其内部的风速波动,增加风能利用率和扩大发电系统的风速利用范围。     

双层翼叶片几何参数对水平轴风力机气动性能影响研究

为了提高风力机的气动性能,基于NREL Phase Ⅵ水平轴风力机叶片,设计出的一种双层翼叶片。通过计算流体力学的方法,在不同来流风速下,对比分析了双层翼叶片与按比例缩放各叶高处弦长的NREL Phase Ⅵ水平轴风力机叶片的扭矩与弯矩,研究了叶片实度的影响,发现实度增加并不是双层翼叶片的气动性能优于原始NREL Phase Ⅵ风力机叶片的主要原因。对不同弦长比、垂直距离及水平距离的大小叶片所组成的双层翼结构进行数值模拟研究,利用流线图着重分析了大小叶片水平距离对风力机气动性能的影响,总结了气动性能随双层翼叶片几何参数的变化规律,发现在15 m/s至25 m/s的风速下,选择较大弦长比、较大垂直距离或者较小水平距离的双层翼叶片可得到较高的扭矩值,但弯矩值也会随之增加。     

一种星敏感器系统热设计方法及试验验证

目前,国内机构针对星敏感器的温控研究与设计较少,多集中于星图的图像处理和图像算法的优化。着重以星图中目标能量变化、信噪比、质心定位误差等参数为指标,分析温度对该星敏感器的热影响,从而实现高精度星敏感器在空间复杂热环境下的可靠应用。进一步基于星敏感器的结构及热分布,对星敏感器进行热设计及散热路径优化,提出星敏感器热电制冷器（Thermo electric cooler,TEC）的热控措施。以典型在轨高温工况与低温工况为例,利用有限元仿真软件进行该热设计的有效性与合理性仿真分析。在以上的设计与分析基础上,完成一套温度控制系统,通过模拟星敏感器在高温工况下的环境条件,使用热电制冷方式对星敏感器采取制冷措施,使星敏感器探测器温度维持在20℃±3℃,达到温控指标,保证星敏感器能够在恶劣温度环境下持续提供高精度姿态信息。重点阐明热环境因素与成像质量之间的关系,完成温度与星点识别精度的关联性分析,为后续星敏感器热控设计及定姿精度提升提供参考。     

转速对直叶片升力型风轮动力特性影响数值研究

采用非定常k-ω湍流模型和滑移网格技术,对旋转直径3 m、高3 m和叶片弦长0.44 m的直叶片升力型风轮动力特性进行二维数值研究,分析在三种不同转速下单叶片动力特性、叶轮动力特性及叶片表面压力特性的变化规律。研究发现：随转速增加,上盘面叶片动力矩极高值先增加后减小存在最大值,下盘面动力矩极低值在逐渐减小且范围变广,证明上盘面为风轮的主要做功区域,下盘面对风轮出力贡献少甚至为负值;随转速增加,上盘面叶片表面压力差在增大,吸力面负压增加幅度较明显,压力面增加幅度较缓,证明吸力面对出力增加的贡献更大;叶轮整体出力由上盘面力矩、下盘面力矩和转速三个因素决定,只有均衡三者关系才能增大风轮整体出力。     

水轮机模式液力透平叶片进口安放角影响分析

针对转轮叶片进口安放角 β1对超低比转速水轮机模式液力透平性能影响规律认识不足的问题,在超低比转速范围内,考虑液力透平水力性能,取不同 β1建立超低比转速混流式转轮三维模型,配合过流部件构建超低比转速水轮机模式二级液力透平模型,采用ANSYS FLUENT仿真软件对液力透平内部流动特性和能量特性进行计算,对比数值模拟结...     

基于钝尾缘翼型叶片的三维风力机性能分析

随着风力机向大型化发展,为有效提升风力机叶片的性能以及结构强度,将钝尾缘翼型应用于风力机叶片设计。以NACA639XX系列翼型为基准翼型,通过Hicks-Henne型函数和钝尾缘函数对翼型进行参数化拟合,使用多岛遗传算法优化得到层流钝尾缘翼型族(USST-XXX)。将此翼型族中相对厚度为21%的USST-211翼型与NACA63921层流翼型替换NREL PhaseVI叶片截面的S809翼型,建模得到两种三维风力机叶片,采用数值模拟的方法,对这两种叶片不同风速下的流场进行分析,并与NREL Phase VI风力机叶片的气动性能进行对比。数值模拟结果表明,在额定风速附近,采用层流钝尾缘翼型所构造的新叶片风力机的风能利用系数高于其他两种叶片。研究结果表明优化得到的层流钝尾缘翼型族可以有效提升风力机气动性能,在大型水平轴风力机叶片设计方面具有良好的应用前景。     

打磨修理对跨声速压气机性能的影响研究

为了控制航空发动机压气机叶片损伤继续发展,通常采用孔探打磨进行修理。为研究其带来的影响,选取跨声速压气机Rotor37为研究对象,构建了不同叶高的叶片前缘打磨修理模型,采用数值模拟方法,研究了打磨修理对跨声速压气机气动性能的影响,结果表明:叶片前缘打磨修理使压气机整体性能下降,压比减小,效率降低,使堵塞点流量减小,而对失速流量点基本没有影响;不同叶高的打磨修理中心对压气机气动性能影响趋势一致影响幅度相当,但打磨叶高的不同造成压气机内部流场变化;叶片前缘打磨后,打磨处激波前马赫数增加,激波强度增大,影响效果随着叶高的增加而增加;压气机进口因为叶片打磨而造成相对动能在叶片打磨处附近降低。     

对转风力机的设计及流场数值模拟

基于传统单转子风力机风能利用系数低的缺点,采用改进的Wilson方法设计了一个对转风力机,减小了湍流尾流的影响,提高了风力机总的风能利用系数。研究了两转子半径比对总的风能利用系数的影响。通过三维数值模拟对所设计的风力机进行了设计工况的流动分析。研究结果表明两个转子的最佳半径比为1.5,此时总的风能利用系数能够达到0.52,风能利用系数比单转子的风力机提高了15.6%,风能利用效率得到了一定的改善。     

三叶片直线翼垂直轴风力机非定常流场速度分析

垂直轴风力机在回转过程中,叶片尾流的相互干涉和叶片攻角变化,使垂直轴风力机周围流场异常复杂。为探明直线翼垂直轴风力机在二维流场中速度分布及风力机叶片迎风角度变化关系,在风洞试验中采用激光多普勒测速仪(Laser Doppler velocimetry,LDV)技术,对所设计的三叶片直线翼垂直轴风力机流场风速进行试验研究,获得了该风力机叶片周围流场的速度分布情况。在建立直线翼垂直轴风力机在不同转速下叶片迎风角度变化的数学模型基础上,应用仿真软件对被测风力机流场进行分析计算。通过数学模型得知,来流风速夹角随回转角的变化情况可用正弦函数近似表示, 并且随着叶尖速比的增大逐渐减小。风洞试验和CFD结果表明,风力机在回转过程中,叶片前缘场域有乱流生成,并且该域风速值偏大;而在叶片旋转内部以及下流区域内会形成一个宽大的低速区域,并且伴随叶尖速比的增加,低速区域具有扩大趋势。     

部分负荷下混流式水轮机转轮叶片变形对流场的影响

将CFD流动分析软件与结构刚强度软件有机结合,对混流式转轮在不同工况下的流动进行分析。通过程序将流场参数加载到结构分析软件上,对变形后的叶片再次进行网格划分流场计算,并计算出混流式转轮叶片上的应力和变形,详细分析了转轮变形后的流场,达到了真正意义上的流固耦合。研究结果表明:最大应力发生在转轮叶片的出水边与上冠的连接处,应力集中较明显,易于发生疲劳破坏。产生最大变形的部位是转轮叶片的出水边与下环的连接处,且从上冠到下环变形量逐渐增大,即此部位就是叶片振动的敏感区域;转轮变形后对水轮机内部流场的影响表现在叶片进口边头部压力增大,叶片出口边靠下环处流速增大、压力下降,空化性能降低。变形后的流场使得尾水管内部的涡带产生、紊动加剧,说明叶片变形后对水轮机内部流场的影响是引起水轮机裂纹和振动的真正原因。