新型组合式垂直轴风机的优化设计与性能研究

对于垂直轴风机,升力型风能转化效率高,但是其在低风速下不能自启动;阻力型可以在低风速下自启动,但其转速低,而且其风能利用率低.为了充分发挥二者性能,我们设计制作了一种新型组合式垂直轴风力机,通过采用超越离合器作为连接件将Darrieus风力机和Savonius风力机组合而成,并对其进行了三维数值模拟和吹风实验.通过对比有无加装S型风机时风机启动风速和输出功率的模拟结果与实验数据,发现该新型组合式垂直轴风机启动风速明显降低,风能利用率仅略有下降,很好地实现了互补.     

Spar式风力机平台设计及水动力影响因素研究

针对NREL5MW风力机设计Spar式风力机平台并采用频域分析方法对该平台的水动力性能进行分析,研究纵荡板、平台工作水深以及重心高度对其水动力性能的影响。研究表明,垂荡板可将Spar平台的垂荡响应峰值降低至无垂荡板时峰值的1/3。当水深大于设计吃水的4倍时,水深对垂荡运动影响很小,这说明Spar风力机平台适合工作在水深大于4倍平台设计吃水的海域。当加压载后,平台重心低于设计重心的距离在0!0.8倍的设计重浮心距离范围内时,Spar风力机平台实际重心位置的偏离对平台的水动力性能影响较小。分析结果将为海上浮式风力机支撑平台的设计以及水动力性能研究提供参考。     

基于脉冲激励响应的风力机叶片结构阻尼计算

针对大型风力机叶片气弹振动问题,提出一种基于脉冲响应的大型风力机柔性叶片结构阻尼有效分析方法.采用一种5自由度的超级单元,将柔性叶片离散成由若干超级单元构成的多体系统,基于计算多体系统动力学中的R-W方法建立了叶片的动力响应模型.以美国可再生能源实验室(NREL)发布的5 MW近海风力机叶片为研究对象,通过分析叶片在脉冲激励下的动力学响应得到其传递函数,由半功率带宽法计算叶片在静止和运转工况下的挥舞与摆振结构阻尼,从而为确定叶片气弹稳定性的边界提供依据.该研究对于指导叶片结构与气动外形设计、帮助确定其气弹稳定性边界具有重要意义.     

基于小波分形理论的风电轴承故障识别

针对风电轴承振动特征信号易被环境噪声调制污染、信噪比低、具有非线性和不平稳的特点,利用基于小波分形的故障识别方法对此进行了研究.采用小波包分解,利用互信息法和Cao算法分别确定了相空间的延迟时间和嵌入维数,根据不同频带的关联维数变化确定风电轴承的工作状态.该方法不依赖于风力机工作的动力学模型,对整体系统信息状态变化敏感.通过现场实验证明,该方法较好地解决了风电轴承故障难以识别的问题,为更加细致地研究风电轴承振动信号提供了重要参考.     

基于直流电动机的风力机实验模拟系统

分析了风力机运行特性、最大风能捕获机理和直流电动机的动态特性,构建了基于直流电机模拟风力机的实验平台,研究了直流电动机模拟风力机的特性,利用可编程逻辑控制器研究了实验模拟系统的工作原理及控制流程,通过实验分析验证了直流电动机模拟风力机的可行性．     

基于ANSYS二次开发的风力机叶片结构优化

针对某850 kW风力机叶片,改变其铺层材料,对其重新进行铺层设计。以材料厚度、腹板位置、主梁宽度等作为设计变量,将叶片质量最小作为目标函数,建立了叶片优化的数学模型。采用MATLAB和ANSYS建立了复合材料参数化叶片模型,通过改进的粒子群算法实现其优化过程。结合德国GL标准,基于动量-叶素理论的BLADED软件计算得到了各截面的极限载荷,并分段施加载荷增量,以更真实地描述叶片受力状态。经分析发现,相比最初的叶片,在保证叶片强度和叶尖位移约束的前提下,叶片质量减轻12.58%。     

基于TRIZ理论的叶片仿生设计与有限元力学分析

改善风力机叶片气动性能,提高叶片刚度、稳定性,已成为大型风力机叶片设计迫切需要解决的问题。生物体独特的外部形状、功能、结构、材料的完美统一,高超的环境适应能力,也为风力机仿生设计提供了不竭灵感。仿生过程是一个分析综合创新的过程,运用TRIZ产品进化理论对风力机叶片技术所处发展阶段进行研究,有助于更清楚地了解风力机叶片的发展趋势和创新的必要性,使研究工作更具系统性和规律性。应用TRIZ产品进化理论,对风力机叶片技术的相关专利数据进行统计并绘制曲线图,通过与标准曲线的区段比较找出风力机叶片所处的发展阶段和接下来的发展趋势与对策。将鱼鳍作为仿生对象进行建模与力学分析,得到仿生模型的力学指标。     

基于VB的风力机叶片外形优化设计

为了实现风力发电机风轮叶片外形的优化设计,以风场风速分布为基础提出了综合优化目标;以片条理论为基础提出了以展弦比为关键参数的修形约束条件的气动优化目标,建立了叶片外形优化设计的数学模型。采用枚举法和循环结构,选用Access数据库,应用Visual Basic编制程序实现叶片外形的优化设计。针对内蒙古某地区设计了1.5MW风力机叶片,与国外同功率某通用叶片进行了对比分析。结果表明,两种叶片外形基本吻合,而且文中设计的叶片在性能上有明显优势,同时也验证了文中提出数学模型的可靠性和程序的实用性。     

考虑三维旋转和动态失速的风力机气动力建模

由于叶片流动分离和失速机理较为复杂,且缺乏深入理解,风力机非定常、非线性气动载荷难以准确预测。针对动态失速和三维旋转效应,基于Leishman-Beddoes模型和Bak模型,预测偏航条件下NREL Phase VI叶片的气动响应,并与实验值和二维数值模拟结果对比。考虑动态失速和三维旋转效应,有效提高叶片剖面升力的预测精度。但是,非线性段气动力的模型预测值与实验值偏差较大,表明三维旋转效应和动态失速耦合作用显著。从叶尖到叶根,局部入流迎角的平均值和幅值显著增加,气动力的非定常程度逐渐升高,因此耦合作用主要存在与叶根处。耦合作用改变了动态失速特性,使得30%剖面气动力迟滞环从二维的顺时针变为逆时针。二维和三维气动力的差别主要体现在下风侧,表明下风侧耦合作用大于上风侧。     

基于EI加点准则与代理模型的风力机专用翼型气动与结构优化设计

为获得具有优良气动性能且兼具结构强度的风力机翼型,以运行攻角下升阻比与截面扭转惯性矩最优为目标函数,利用遗传算法对翼型进行优化设计,提出一种兼顾气动与结构特性的翼型设计方法。通过Bezier曲线表征翼型几何轮廓,采用CFD方法求解翼型气动力,利用Matlab编写程序获得翼型结构特性;建立Kriging代理模型减少CFD计算次数,并采用拉丁超立方采样和EI加点相结合的方式提高优化效率。将优化翼型与风力机翼型NACA64618对比分析,结果表明：优化翼型在运行攻角范围内具有更佳的气动性能,且优化后叶片的摆振位移与叶尖扭转角分别减小23.446%与17.544%。