某兆瓦级水平轴风力机叶片气动设计和性能评估

基于片条理论,建立了水平轴风力机的气动参数和性能计算模型,并考虑了叶尖损失、叶根损失、叶栅影响和重载荷下对片条理论参数的修正。以此为基础设计完成了某1．5MW水平轴风力机叶片的气动外形．并对其气动性能进行了评估,结果表明该风力机叶片气动性能达到设计要求,具有较佳的风能利用系数和运转特性。     

水平轴风力机气动性能计算模型

基于片条理论建立了水平轴风力机气动性能计算模型,考虑叶尖损失、轮毂损失、叶栅理论及失速状态下动量理论的失效对片条理论进行了修正,并且考虑了风剪切、偏航、风轮的结构参数和风力机安装参数对计算模型的影响,使得理论模型更接近于实际工况中的风力机。应用所设计的气动性能计算程序对一台1．3MW的失速调节风力机进行了气动性能计算,与国外大型商业软件的计算结果取得了良好的一致性,从而验证了模型的正确性和实用性。     

风力机玻璃钢叶片疲劳寿命分析

该文对大型风力机玻璃钢叶片疲劳寿命的工程估算方法进行了研究。运用片条理论分析了影响风力机叶片疲劳寿命的气动载荷分布；根据有限元模态叠加法，计算了叶片在气动力、重力和旋转惯性力等确定性载荷作用下的动态应力响应；介绍了玻璃钢材料的疲劳破坏过程、破坏准则，探讨了玻璃钢材料疲劳性能及疲劳寿命估计方法；最后，运用Palmgren Miner的线性疲劳损伤累积法则提出了一种玻璃钢叶片安全寿命估计方法。通过所设计的1．5兆瓦变速变桨距风力机叶片疲劳寿命估计的算例表明，本文提出的玻璃钢叶片疲劳寿命估计方法是可靠和实用的。     

风力机翼型大迎角气动性能评估方法

风力机叶片翼型的气动数据是风力机叶片设计和性能评估的基础,全迎角范围的翼型气动数据有助于准确预测风力机的功率以及极限气动载荷。分析了风洞实验、CFD方法获取翼型气动数据的优缺点,着重阐述了基于实验数据建立的半经验公式-Viterna模型。提出了一种结合CFD与Viterna模型快速评估翼型全迎角范围气动性能的方法,另外为了提高预测风力机输出功率的准确性,利用前面的方法获得的翼型气动数据与叶素理论计算风力机功率时,要考虑尖端损失与桨毂损失。     

风力机叶片气动设计及偏载计算

风力发电机组叶片的气动特性直接影响到机组效率,考虑了风力机叶片气动损失,运用Schmitz方法对1MW定桨风力发电机组的叶片进行了气动设计.叶片从叶根到叶尖采用了不同翼型,以满足叶片强度和气动性能的要求.不同翼型之间采用了3次样条插值后的过渡翼型,同时叶根和叶尖也进行了处理,以满足工艺和实际的要求.在所设计的风力机叶片的基础上,计算了风力机的偏载特性,由于风力机起动与空载时,Schmitz方法误差较大,该文采用了Schmitz理论的扩展算法来计算风力机的偏载特性.设计结果表明,基于Schmitz理论设计的多翼型风力机叶片考虑了叶片的损失,方法简单,计算出来的叶片弦长和扭角符合实际叶片的规律.采用了扩展算法后的偏载特性曲线,考虑了各种损失,与实际风力机表现的特性规律相符.     

基于元胞遗传算法的风力机叶片优化设计

采用经过叶尖损失、轮毂损失及失速状态下动量理论修正的片条理论为基础,在满足设计功率的前提下,以最大升阻比系数为优化目标,以叶片的形状参数弦长、扭角为优化设计变量,通过元胞自动机遗传算法对风力机叶片进行优化。最后应用该优化模型对某2 MW变桨距风力机叶片进行优化设计,并对优化结果进行比较分析,验证了该算法的有效性,为风力机叶片的后续研究奠定了基础。     

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。     

复合材料风力机叶片气动/结构一体化优化设计

基于多学科优化理论,提出复合材料风力机叶片气动/结构一体化优化设计方法。采用多岛遗传算法,以叶片的气动和结构性能为约束、质量为目标,对复合材料风力机叶片进行优化设计。气动性能分析采用叶素动量理论,考虑叶梢损失和轮毂损失。结构分析采用有限元方法对风机叶片三维参数化CAD模型进行分析。算例结果证明了该方法的有效性,对实际的工程设计有较强的参考价值。     

折叠式H型垂直轴风力机设计与分析

轻便的风力机可以在野外环境下满足人们活动和生存的电源需求。文章针对便携可折叠需求,提出了一种便携折叠式H型垂直轴风力机。对风力机风轮参数和折叠机构进行了设计,采用双致动盘多流管模型对比分析了采用不同翼型的叶片气动性能,确定较优翼型。运用双致动盘多流管模型算法计算叶片的极限载荷,求解采用不同材料时叶片的重量,寻求适合便携式风力机叶片的材料。对极限载荷作用下的折叠机构连接杆进行静力学分析,保证风力机结构的设计安全性。静力学分析结果表明:采用NACA0018翼型的叶片气动性能更优;材料选择PEEK ST45CA30时,叶片重量最轻;在极限载荷作用下,设计的折叠机构连接杆满足安全要求。     

10MW风力机叶片设计及其在随机风载荷下的响应分析

对大型风力机柔性叶片的设计方法及其在随机风载荷作用下的动态响应与载荷特性进行了研究。根据风力机叶片空气动力学和结构设计理论,将柔性叶片离散为多个刚体,形成一个多体系统。根据多体动力学的建模方法和叶片气动模型,考虑两者的相互作用,建立了柔性叶片的非线性耦合动力学方程并开发了相应的仿真程序。算例分析了叶片在随机风载荷作用下的气弹载荷与随机振动响应,并对稳定风速和紊流风速下的响应结果作了对比分析。     

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.     

气动力和离心力对风力机叶片应力影响研究

针对自行研制的NACA4415翼型水平轴风力机,通过流固耦合的数值模拟计算方法,考虑气动力和离心力以及两者耦合作用,选取叶片最大弦长、中部弦长、气动中心线展向以及最大应力点位置,分析风力机叶片在不同工况下的应力特性分布规律。结果表明:在气动力作用下,叶片相同弦长位置处迎风面应力小于背风面应力,且随尖速比和入流风速增大而增大,最大应力点位置随着尖速比增大沿翼展向外且靠近叶片前缘方向延伸;在离心力作用下,叶片相同弦长位置处迎风面应力大于背风面应力,且随尖速比增大而增大,而最大应力点均在叶根最大弦长位置(9.93 mm,10.80 mm,-126.33 mm);在耦合作用下,叶片相同弦长位置处迎风面应力大于背风面应力,随尖速比和入流风速增大而增大,且依次大于气动力和离心力产生的应力,而最大应力点均在叶根最大弦长位置。仿真结果对于风力机翼型的选择及优化设计具有重要的理论意义及参考价值。     

小型变桨距风力机的气动优化设计

基于叶素动量理论分析了小型风力机的气动性能分析模型,并提出了叶片的气动优化设计方法.结合叶片制造和应用中的实际要求,设计了10 kW小型变桨距风力机叶片的气动外形.计算结果表明,设计叶片具有良好的气动性能,验证了该设计方法有效实用.     

Fluid structure interaction of a morphed wind turbine blade

One serious challenge of energy systems design, wind turbines in particular, is the need to match the system operation to the variable load. This is so because system efficiency drops at off‐design load. One strategy to address this challenge for wind turbine blades and obtain a more consistent efficiency over a wide load range, is varying the blade geometry. Predictable morphing of wind turbine blade in reaction to wind load conditions has been introduced recently. The concept, derived from fish locomotion, also has similarities to spoilers and ailerons, known to reduce flow separation and improve performance using passive changes in blade geometry. In this work, we employ a fully coupled technique on CFD and FEM models to introduce continuous morphing to desired and predetermined blade design geometry, the NACA 4412 profile, which is commonly used in wind turbine applications. Then, we assess the aerodynamic behavior of a morphing wind turbine airfoil using a two‐dimensional computation. The work is focused on assessing aerodynamic forces based on trailing edge deflection, wind speed, and material elasticity, that is, Young's modulus. The computational results suggest that the morphing blade has superior part‐load efficiency over the rigid NACA blade. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

高效低载的三维风力机叶片外形优化设计方法

常规风力机叶片的优化设计都是从二维翼型开始的,且翼型总是以升阻比最大为优化目标。然而,二维翼型的升阻比最大和三维叶片的高风能利用率与低气动载荷有本质的不同,采用以往的叶片优化方法常常会在提高风能利用率的同时,使叶片所受的气动载荷也提高。针对这一问题,提出基于多岛遗传算法和动量叶素理论,在给定风况条件下,以加权风能利用率最高与气动载荷最小为目标函数,以叶片各个截面的翼型型线及扭角作为设计变量,对三维叶片开展多目标优化方法设计研究。并对某实际NREL Phase VI叶片进行优化设计,结果表明：在给定风况下相比原叶片,优化叶片在风能利用率提升了3.06%的基础上,叶根弯矩降低了11.68%。在变转速与变风况下,优化叶片的气动效率整体提升,叶根弯矩明显降低。     

预弯对10MW级风力机叶片气动特性的影响

为分析预弯处理对10 MW级风力机叶片气动特性的影响,以DTU 10 MW风力机为例,采用CFD数值模拟方法,研究均匀来流不同风速下风力机的输出功率,并与BEM计算结果进行对比。同时,对比分析直叶片和预弯叶片风力机的功率特性、沿展向出力分布、沿展向不同截面翼型的流动特性。研究结果表明,直叶片各截面翼型的压力差较预弯叶片的大,做功能力较强。预弯通过对叶片的三维流动产生扰动,进而影响风力机的输出功率,且主要体现在叶片展向70%~90%的位置。研究成果可为风力机叶片气动性能的设计与优化提供参考。     

百千瓦中型变速变桨风电机组叶片设计研究

百千瓦级叶片一般采用定桨方式运行,依靠叶片失速进行功率控制,机组运行过程中无法维持较高的效率。基于100 kW变速变桨机组的运行特征,提出了一种100 kW级中型叶片的设计方法。气动设计采用了BEM方法,利用Harp_opt中的优化算法获得较高的气动性能;结构及载荷设计参考IEC标准进行,采用Focus进行铺层设计及结构特性分析。所设计叶片的长度为10.029 m左右,极限及疲劳载荷特性满足GL IIA类风场的运行要求。     

一种水平轴风轮叶片的气动设计方法

发展了两种先进的水平轴风轮叶片气动计算和设计方法－PROPGA和PROPID,PROPGA是基于最优化方法的遗传算法,用于最初的叶片选择和几何设计;PROPID是一种基于反问题的叶片气动设计方法,用于最后的叶片造型和性能预估。给出了两个实例,一个是以基础科学研究为目的实验探索用全新风轮,另一个则是用于商业生产的小型风轮。在实际风轮设计中的成功使用证明,PROPID和PROPGA是一种强有力的设计工具,两者的结合使用可以得到最佳的风力涡轮气动性能。     

The inverse design of the wind turbine blade sections by the singularities method

The aerodynamic characteristics of wind turbines are closely related to the geometry of their blades. The innovation and the technological development of wind turbine blades can be centred on two tendencies. The first is to improve the shape of existing blades; the second is to design new shapes of blades. The aspiration in the two cases is to achieve an optimal circulation and hence enhancing some more ambitious aerodynamic characteristics. This paper presents an inverse design procedure, which can be adapted to both thin and thick wind turbine blade sections aiming to optimise the geometry for a prescribed distribution of bound vortices. A method for simulating the initial contour of the blade section is exposed, which simultaneously satisfy the aerodynamic and geometrical constraints under nominal conditions. A detailed definition of the function characterising the bound vortex distribution is presented. The inviscid velocity field and potential function distributions are obtained by the singularities method. In the design method implemented, these distributions and the circulation of bound vortices on the camber line of the blade profile, are used to rectify its camber in an iterative calculation leading to the final and optimal form of the blade section once convergence is attained. The scheme proposed has been used to design the entire blade of the wind turbine for a given span-wise distribution of bound circulation around the blade contour.