大型风力机叶片模态性能及振动分析

为研究大型风力机叶片铺层参数对叶片动态性能的影响、防止叶片发生共振、减小叶片挠度、改善叶片结构力学性能和提高风力机安全性,建立了5 MW风力机叶片的有限元模型,通过改变铺层材料和铺层角度实现不同的叶片结构,并对成型叶片进行了模态分析;采用CFD方法获得叶片表面载荷,分析不同风速下不同铺层结构叶片振动性能,结果表明:复合材料铺层角度能影响叶片固有频率,叶片低阶振型以挥舞和摆振为主,高阶模态出现扭转;增加0°铺层纤维比例可提高低阶固有频率,45°铺层能提高叶片抗扭能力;叶片振动位移沿叶片展向呈非线性增长,风速越大叶片挠度越大;碳纤维可有效提高叶片固有频率,减小叶片挠度。     

叶片副翼摆角对两段式翼型气动性能的影响

以Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型为计算模型,对风力机叶片NACA0018翼型在副翼摆角分别为0°、5°、10°和15°下的流体流动情况进行数值模拟,分析不同攻角下带副翼翼型上升阻力性能曲线以及翼型表面压力分布云图和流场流线图,研究不同摆角对带副翼翼型的空气动力学性能的影响。结果表明:相同攻角时,翼型的升力系数随着副翼摆角的增大而减小;副翼摆角的增大可以增大翼型的失速攻角,改善翼型周围流体的流动状况,提高翼型周围特别是副翼周围流体流动稳定性,抑制流动分离涡的形成。     

新型弯扭叶片旋转煤粉分离器分离性能的冷态数值研究

根据MPS89k中速磨煤机直叶片旋转煤粉分离器结构,提出了一种新型变截面弯扭动叶的旋转煤粉分离器.利用Fluent软件对该分离器的综合性能进行了数值模拟,分析了不同叶片结构的综合性能,获得了转子动叶的最佳结构参数.结果表明:新型变截面弯扭动叶旋转煤粉分离器转子动叶的最佳扭转角度为25°,转子动叶最佳结构下的流场分布比较均匀,静叶两端气流回流减少,静叶底部冲刷和磨损程度减小,使用寿命延长;转子动叶最佳结构下的出口煤粉细度为1.39％,综合分离效率为95.83％,该分离器内部气固两相流场的通风阻力为1 174 Pa,能够满足工程要求.     

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。     

潮流能水轮机叶片翼型水动力性能的数值模拟研究

鉴于潮流能水轮机叶轮叶片性能的好坏关系到叶轮的捕能效果,而叶片翼型的水动力性能是叶片设计的基础,基于CFD软件ANSYS CFX对部分翼型的水动力性能进行了分析。首先在不同湍流模型下对NACA2412翼型的部分水动力特性进行数值模拟并与试验值做对比分析;然后在SST湍流模型下,对NACA64421翼型在攻角为0°时,探讨了边界层网格对数值模拟结果的影响;并对其在攻角为-2°~20°情形下的水动力性能进行了数值模拟。结果表明,湍流模型的选用、边界层网格划分及近壁尺寸的选取对数值模拟结果的影响均较大,并通过数值模拟得到了NACA64421翼型的升力系数、阻力系数、最佳攻角、失速角等水动力性能参数,可为水轮机叶片设计时翼型的选取提供参考。     

襟翼翼缝相对宽度对翼型动态气动性能的影响

采用Fluent数值模拟的方法,以NACA0018对称翼型为基准翼型,分析了尾缘襟翼翼缝相对宽度不同时,襟翼动态摆动对翼型流场以及升阻力特性分析。选取襟翼相对长度为0.2,襟翼翼缝相对宽度分别为1.0%、1.5%和2.0%,当襟翼最大摆角θ为15°时,分析翼型动态气动性能。数值结果分析表明:襟翼的摆动导致原本对称的翼型不再是对称翼型,改变了翼型的弯度,翼型升力和阻力系数的最大值均增大;相同摆角下,翼缝相对宽度越大,其翼型升力系数值愈大;襟翼在摆角θ为10°~15°时,在襟翼下表面出现尾缘回流涡;当襟翼摆角θ为-10°~-15°时,襟翼上表面出现回流涡,且随着襟翼摆角的增大,该回流涡范围逐渐扩大。     

旋转对复合角度气膜冷却叶片的数值模拟

采用Realizable k-ε紊流模型并结合SIMPLEC算法,对前缘复合角度α=30°、β=45°,α=90°、β=45°的动叶栅在不同旋转状速度下的气膜冷却效率进行计算。分析了不同转速、吹风比、叶片前缘射流角度对气膜冷却效率的影响。计算结果表明:旋转导致冷却射流向叶顶偏移,转速越高气膜冷却效率越低;高转速时叶盆区域有回流涡旋形成;高吹风比使得冷却射流在吸力面的贴壁性变差;比较两种前缘冷气喷射角度的计算结果可以看出,前缘冷却气流喷射角度较小时的气膜冷却效果较好。     

不同动态叶片倾角下动静态分离器的试验研究

介绍了研究动静态分离器性能的试验装置,使用煤粉为物料,对分离器在不同动态叶片倾角和不同转子转速下进行了试验研究。通过对试验结果的整理分析,发现动态叶片倾角为45°时分离器的综合性能最好,R45可以达到3.95%,此时综合分离效率为55.32%,阻力损失为846 Pa。动态叶片倾角和转子转速增加都会使分离器出口煤粉变细,而综合分离效率存在最高值,阻力损失则存在着最低值。     

基于静气弹性能的风力机翼型设计

引入翼型静气弹性能,即气动扭矩对扭转位移的敏感性和扭转位移诱发平移位移的能力,敏感性和能力越低,静气弹性能越好。结合改进的粒子群算法和基于通用集成理论的翼型参数化表达方法,兼顾气动性能和静气弹性能建立优化模型,对现有常用薄翼型NACA 64618进行替代优化设计,新翼型的部分气动性能和静气弹性能都有所提高。就NREL 5 MW参考风力机叶片,用新翼型替换NACA 64618并对额定工况进行仿真,仿真过程中对风速施加一个正弦脉冲,结果表明替换的叶片对脉冲的敏感性低于原叶片,且扭转位移更接近于零,可证明新翼型对叶片的扭转发散有一定抑制作用。     

基于正反装叶片的垂直轴潮流水轮机水动力性能分析

为了解不对称翼型叶片的正反安装对垂直轴潮流水轮机水动力性能的影响,运用CFD软件技术,建立了不对称叶片正反安装的潮流水轮机模型,分析了不对称叶片在正反两种安装方式下,叶片压力面和吸力面压力系数随叶片相位角不同而发生的变化,同时利用效率公式计算得到了效率。结果表明,叶片的正反安装对水轮机的水动力性能影响较大,当叶片正装即不对称翼型叶片凸向朝外时,垂直轴潮流水轮机效率优于叶片反装时,叶片在相位角为0°~120°区间转动时,转轮扭矩先增大后减小,在60°、180°、300°时得到最大扭矩。     

襟翼结构对风力机翼型性能的影响及优化设计

为了研究襟翼结构对风力机翼型气动性能的影响,选用NACA0012翼型,建立了翼型加装襟翼的二维计算模型,使用计算流体力学软件Fluent求解定常、不可压缩雷诺平均的N-S方程和Spalart-Allmaras单方程湍流模型,分析了典型的NACA0012翼型添加不同几何形状襟翼在0°~18°攻角α范围内的气动特性。通过计算表明:在风力机翼型上添加不同结构襟翼,能够提高翼型的有效升力系数,添加同样高度和厚度的三角形襟翼比添加矩形襟翼时的升力系数要大,而阻力变化甚小;因此,选择适当的几何形状襟翼不仅能起到增升效果且能相应的节省材料从而改善其经济性。     

翼型水动绕流特性数值模拟分析

水力机械叶轮水力设计时,在保证叶片适当的进出口角度的前提下,均选用空气动力学翼型。基于GAMBIT网格技术和CFD中FLUENT软件,以常用的全对称翼型NACA0012和非对称翼型NACA63-415为基准翼型,对水流作用下的水动绕流特性进行了二维流场数值模拟计算,对比分析了两种翼型在高雷诺数Re=5×106和攻角-5°~90°下的流动特性变化,尤其是在大攻角时翼型表壁涡脱落及扩散的流场特性,获得了翼型的流场云图、矢量图、升力与阻力及升阻比的曲线图,同时对比研究了水与空气中的绕流特性,结果有益于了解流体机械叶片翼型的水动特性,可为流体机械叶轮叶片翼型的设计、选择和研制提供重要的理论依据。     

风力机叶片及翼型变形分析

在以往有关风力机叶片变形的研究中,主要关注挥舞、扭转变形。但事实上,由翼型自身的柔性变形所引起的翼型弯度、厚度变化对气动性能也有较大的影响。文章以NERL某5 MW风力机为例,利用Bladed软件计算风力机叶片载荷,并将载荷通过MPC多点约束的方式加载到ANSYS有限元模型中,研究柔性叶片翼型截面的变形情况。研究表明,翼型横截面扭转变形不是整体的挥舞、扭转变形,从腹板到尾缘段的扭转幅度比腹板到前缘段的幅度要大,翼型截面自身也会发生形变进而影响叶片的气动性能。     

两种非对称翼风力机性能的试验研究

在低速风洞中对两种非对称翼型(3734和GOE382)小型垂直轴风力机的自启动性能和功率输出性能进行了测试,研究了叶片数和来流风速对两种翼型的风力机性能的影响。结果显示,非对称翼3734风力机的静态自启动性能劣于GOE382,但功率输出性能优于GOE382风力机。     

基于气动弹性剪裁的风力机叶片模态分析

本文为研究叶片铺层参数对叶片动态特性的影响,防止叶片产生共振,改善叶片力学特性,建立了1.5 MW风力机叶片的有限元模型,通过改变铺层角度和铺层纤维比例实现多种不同层合板结构的叶片铺层,并对上述各种铺层叶片结构进行了模态分析,获得了各模型的前六阶固有频率和振型,分析了铺层参数影响叶片动态特性的原因。结果表明:复合材料具有显著各向异性,通过改变铺层角度能影响固有频率大小;叶片低阶振型以挥舞和摆振为主,增加0°铺层比例能提高低阶固有频率;叶片高阶模态出现扭转,45°铺层能提高叶片抗扭能力,有利于增加高阶固有频率。     

叶片出气边开槽V结构对水平轴风力机翼型气动性能的影响

为探究具有鸮类特征的风力机叶片出气边开槽的V结构表面气动性能,采用SST k-ω湍流模型,对750 W的标准风力机叶片和仿生风力机叶片翼型的周围流场进行计算。结果表明:仿生V结构表面的风力机叶片阻力系数和吸力面的压力系数均小于标准叶片。分析发现V结构表面能够改变旋涡区位置,漩涡区偏离叶片表面,流动阻力减小。在测量攻角(α=0°～30°)范围内,标准叶片和仿生叶片的升阻比都呈现先递增后减小的规律。在攻角为20°时,标准叶片的升阻比达到最大值,其值为4.03。攻角为25°时仿生V结构风力机叶片的升阻比达到最大值,相比于标准叶片,升阻比增加了73.7%,压力面附着效应增强,升阻比得到提高。     

增加风力机叶片翼型后缘厚度对气动性能的影响

以FFA-W3翼型族为研究对象,对其系列翼型的后缘作了加厚处理。利用XFOIL软件对修改前后的翼型的气动性能进行了计算,利用Viterna-Corrigan失速后模型将气动性能数据的攻角扩展到了90°。对修改前后的翼型的气动性能数据的改变作了对比分析。利用原翼型和修改后翼型的气动性能数据对同一个风力机进行了气动性能计算,并对计算结果作了对比分析。结论认为,对翼型后缘进行适当加厚处理对气动性能影响不大,为满足工艺要求在叶片的生产中对翼型后缘作加厚处理是可行的。     

端盖与旋流子对轴流旋风分离器的性能影响

为了研究轴流旋风分离器性能的结构影响因素,采用Fluent软件对装有不同内径端盖和不同种类旋流子的旋风分离器的流场进行了数值模拟,同时用Fluent中的DPM模型分析了不同尺寸及种类的旋风分离器对水颗粒的分离效果。结果表明：较小的端盖内径可以提高旋风分离器的分离效率,但是带来更大的阻力;旋流子叶片的螺旋角度是影响分离效率的主要因素,螺旋角度越大则分离效率越高,但是阻力也会随之增加;叶片数量不是影响阻力的主要因素。     

基于Fluent的风力机叶片翼型气动性能数值计算

风力发电是新能源利用的重要方式,风力发电机叶片翼型的气动参数特性分析对叶片翼型设计具有重要意义。采用数值方法研究不同攻角时NACA4415翼型的气动特性。利用ICEM对NACA4415翼型进行结构化网格划分,建立S-A湍流模型进行数值计算。结果表明在6°攻角时翼型存在最大升阻比,此时翼型的气动性能最佳,对风能利用率最高;14°攻角时翼型开始出现失速,翼型后部出现的气流分离是造成失速的主要原因。     

基于鸟翼后缘的仿生翼型的阻力数值模拟

基于对流体介质中典型动物信鸽减阻功能的研究，揭示了其低阻力翼羽独有的序贯排列方式；量化了信鸽翅膀翼羽后缘形态特征几何信息，并建立仿生模型，其展向后缘形态可以用波长与振幅（波峰、波谷）来限定。对仿生翼型模型的气动特性进行了数值模拟。结果表明，仿生翼型结构能够改善翼型的气动性能，阻力减幅高达9．1％。