气动力与离心力对风力机叶片应变特性的影响

利用有限元理论,基于Ansys Workbench工作平台,针对某小型水平轴风力发电机组,计算了不同工况时叶片应变特性的变化。计算结果显示:叶片在气动力作用下最大应变位置位于叶根与叶片径向的0.65 R处、叶片在离心力作用下最大应变位置位于叶根处;在恒定来流风速、低尖速比时,气动力引起的叶片应变大于离心力引起的应变,但随着尖速比的增加,离心力引起的应变值大于气动力作用时的应变值,其原因为离心力正比于尖速比和风速乘积的二次方,而气动载荷仅正比于风速的二次方;气动力与离心力耦合作用时,最大应变位置位于叶根处,离心力与气动力耦合作用时引起的应变不等于离心力与气动力单独作用引起应变之和。研究结果可为风力机叶片机械强度设计提供一定的理论支撑。     

叶片动态应变随工况变化的响应特性研究

基于应力应变动态旋转遥测技术,针对直径1.4 m的NACA4415翼型水平轴风力机风轮模型开展动态应变实验,得出不同工况下叶片气动中心线上各个测点应变值随气动力和离心力的变化规律。试验结果表明:离心力对叶片表面动态应变的影响显著强于气动力;气动力对叶片表面动态应变的影响由叶根至叶尖逐渐增强;叶片气动中心线上各点应变值随离心力(转速)的升高而增大,且其生长特性近似成线性。从叶根至叶尖,气动中心线上各测点应变值随离心力变化的敏感性呈逐渐下降趋势;同一工况下,从叶根至叶尖,叶片气动中心线上各点应变值逐渐减小,且其衰减规律成非线性曲线形式。相关研究成果,可为风力机结构安全性设计提供一定的理论支撑。     

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。     

风力机叶片在不同载荷作用下的应力特性分析

针对额定功率为100 W的水平轴风力机叶片为研究对象构建实体模型,利用ANSYS有限元方法,模拟分析叶片在气动力、离心力及重力作用下的应力特征,最后由实验数据和模拟计算做对比分析。额定工况单独载荷作用研究,得出叶片应力主要受气动力与离心力的作用,重力影响不大;施加复合载荷,同一截面相对位置,叶片迎风面应力值大于背风面应力值,且随风速增加应力值逐渐增大,最大应力值处始终保持最大。     

风力机风轮非定常气动载荷计算

运行中的风力机风轮经常受到自然风变化带来的非定常气动力的作用。数值模拟这一非定常气动力对于风力机的安全优化运行和性能改进具有重要意义。文章介绍了所开发的基于粘性修正的三维速度势面元方法,以速度势方程作为流动控制方程,使用Prandtl-Schlichting方法考虑空气在叶片表面的粘性作用。通过与风力机的试验数据对比显示,计算值均与试验值吻合良好,显示了用该计算方法估算风力机三维非定常气动力和扭矩的应用价值。     

基于流固耦合的离心式压气机叶轮叶片仿真研究

以某型离心式压气机叶轮为研究对象,利用ANSYS工程软件对叶轮进行单向流固耦合数值模拟。在综合考虑热载荷对叶轮叶片应力应变影响的前提下,建立叶轮单流道的三维流场模型,得到额定转速下压气机叶轮内部流场应力分布。将离心力、气动力和热载荷施加到叶片上,最终得到在离心力、气动力和热载荷三者共同作用下的叶片应力分布和叶片最大变形量。结果显示:相比仅考虑离心力和气动力影响的情况,在施加热载荷后,叶片最大应力增加7.62%,最大变形量增加24.69%。     

基于面元法和FEM的海上浮式风力机叶片动力响应研究

考虑水动-气动耦合模型，研究海上浮式风力机在风浪作用下动力响应的数值模拟方法。采用速度势面元法求解浮式风力机叶片压力分布以及时变气动载荷；建立NREL 5 MW风力机的有限元模型，通过瞬态分析得到叶片的变形和应力分布。计算表明，在展长方向，越靠近叶根处，应力值越大；在弦长方向上，越靠近前缘点应力值越大。和风载荷单独作用相比，波浪载荷导致浮式平台产生较大幅度的纵荡和纵摇运动，能量传递到上部风力机后导致叶片的变形和应力更大。     

风力机翼型动态失速数值模拟

在低雷诺数下,对NACA0012翼型和风力机专用翼型S809的动态失速进行数值模拟。研究不同网格密度、湍流模型对俯仰振荡翼型数值模拟的影响,并与实验结果进行对比验证。数值模拟得出的气动力迟滞曲线与实验结果变化趋势符合较好,表明了数值方法的有效性。采用此方法研究了北航自主开发的风力机专用翼型的动态失速特性。通过分析表明该翼型在动态失速过程中升力系数下降平缓,俯仰力矩振荡变化不显著,适合应用于兆瓦级大型风力机叶片。     

吹吸联合射流对垂直轴风力机气动特性的影响研究

针对垂直轴风力机(VAWT)复杂流场特性,提出一种基于吹吸联合射流的主动流动控制方法,以抑制攻角周期性变化导致的动态失速现象。通过在翼型吸力面前缘和压力面尾缘同时进行吸气与吹气,采用高精度数值模拟研究其对垂直轴风力机气动性能的影响。结果表明：在中低叶尖速比下吹吸联合射流对功率系数的提升效果最为明显,并能显著减缓叶片动态失速现象,消除整机负转矩,进而减小叶片离心力以及增加风轮的稳定性与安全性。     

考虑变桨效应大型风力机塔架-叶片体系气动性能精细化分析

以某5 MW风力机为研究对象,基于大涡模拟方法,考虑不同叶片桨距角大型风力机体系表面流场信息和气动力分布模式进行模拟,并与规范及实测结果进行对比验证大涡模拟的有效性。在此基础上,对比分析不同叶片桨距角下风力机塔架及叶片表面平均和脉动风压、升力与阻力系数、绕流及尾流特性的分布模式,总结叶片桨距角和干扰对风力机体系气动性能的影响规律。研究表明:随着叶片桨距角的增大,叶片迎风面正压分布区域逐渐减小,塔架显著干扰区段迎风面0°和侧风面90°处的平均风压、极值风压逐渐增大,而脉动风压逐渐减小,层升力系数减小,阻力系数增大。塔架未干扰区段平均风压、脉动风压、极值风压和层阻力系数均未呈现明显变化,在桨距角较大(70°～90°)时,叶片尾迹对塔架绕流影响逐渐减弱,塔架气动力分布与未受叶片变桨和干扰时较为接近。综合分析表明,叶片桨距角为0°时,叶片和塔架之间的相互干涉作用最为明显,风力机体系气动性能最为不利。