Remote monitoring of ice loading on wind turbine blades based on total internal reflection

The paper presents an optical method for monitoring of transparent icing, which is applicable for remote monitoring of wind turbine blade icing. The method is based on the effect of total internal reflection of light. A point light source is formed on a wind turbine blade. When icing appears on the blade, a light circle is formed around the light source at the ice–air interface as a result of refraction and reflection of light beams; the observed size of the beam depends on the icing thickness. Using several light sources, the method enables field monitoring of icing on the wind turbine blades.     

在大转角透平叶栅中叶片反弯曲对通道涡及静压场的影响

本文采用微型球头五孔探针对低展弦比大转角透平直叶片栅和反弯曲叶片栅栅内外流场进行了详尽测量,并开设静压孔测取了叶栅端壁和叶片表面的静压分布。根据实验结果,作者全面分析了叶片反弯曲对通道涡及静压场的影响,并明确提出：在大转角透平叶栅中,叶片反弯曲后,由叶片力在吸力面前部产生的沿叶高方向的反“Ｃ”型静压分布是控制通道涡减弱的关键,这也是叶片反弯曲作用的本质所在。     

完全氧化DZ125的双向反射特性实验研究

作为燃气轮机的核心部件，涡轮叶片长期在上千度的高温下工作，为了保证叶片安全可靠地运行，需要对其温度进行实时的监测。辐射测温是目前涡轮叶片非接触式测温的主流方法，其测温精度与叶片材料反射特性关系密切，如何预测不同方向反射能量的大小，减小反射辐射对测温结果的影响是目前研究的难点。为了预测叶片反射能量大小，提高辐射测温的准确性，对涡轮叶片常见材料——完全氧化DZ125的双向反射分布函数(BRDF)进行研究。采用对比法作为实验测量的方法，先分析了BRDF对比法测量原理及数据处理方法，之后自主搭建了试验台，在温度分别为25, 900和1 100℃,波长分别为1 060, 1 550和1 908 nm的条件下，控制入射天顶角及反射天顶角在0°～60°范围变化，方位角在0°～180°范围变化，测量计算出了多组BRDF值，分析了各种因素对完全氧化DZ125的BRDF的影响。最后采用Modified Phong模型对BRDF测量值进行了拟合，并与实验测量结果进行了对比，得到了较好的结果。研究结果表明，温度、波长对完全氧化DZ125的BRDF影响较小，在涡轮叶片工作的温度范围变化不大，辐射波长变化不大时，...     

透平静叶安装节距误差对级性能影响的数值研究

数值研究了蒸汽透平静叶节距变化对级性能影响。选取典型高压透平级,通过增、减静叶数改变静叶节距,分别对原型(A)、静叶部分透光(B)、静叶完全透光(C)和静叶节距减小(D)四种设计情况进行了全三维定常计算分析,获取了透平静叶节距变化对级性能影响的认识,讨论了蒸汽透平叶片设计中的“无透光”工程准则,从而为处理静叶节距变化这一工程问题提供依据。     

小型风机叶片结构损伤识别实验模拟研究

搭建小型风机叶片振动检测实验平台,采集风机叶片振动响应数据,利用自互功率谱法辨别叶片损伤前后的模态参数,通过实验数据对比风机叶片损伤前后固有频率的变化,当风机叶片发生损伤时,其各阶固有频率会下降,且随着损伤程度的增加,各阶固有频率的下降幅度越大,并利用轴向振型差法对叶片损伤进行了定位,在实验室条件下完成了风机叶片结构损伤的识别。     

涡轮叶顶冷却布置对叶顶传热冷却性能的影响

本文采用数值模拟的方法,对比分析了1+1/2对转涡轮四种不同的叶顶冷却布置方案对叶顶传热、冷却性能以及气动特性的影响。四种布置方案分别是:靠近压力面垂直叶顶方向、靠近压力面且与叶顶有30°出射角、中弧线位置垂直叶顶方向、中弧线位置有30°出射角。研究表明,气膜孔沿压力面布置与气膜孔沿中弧线布置相比可以降低叶顶传热系数;由于气膜孔倾斜布置气膜射流动量降低,且削弱了肾形涡的影响,气膜的侧向覆盖范围增大。因此气膜孔靠近压力面布置可以提高气膜冷却效率;气膜孔靠近压力面且有30°出射角比垂直布置叶顶热负荷减少2.7%。另外,气膜孔靠近压力面布置可以降低主流的泄漏流量,有利于减小泄漏损失和提高涡轮效率。     

燃气透平叶片表面颗粒沉积特性数值研究进展

污染物颗粒在燃气透平叶片表面及冷却通道内的沉积将影响透平叶片的冷却特性和安全服役寿命。国外许多研究机构对燃气透平叶片表面污染物颗粒沉积特性及其与叶片气膜冷却的相互作用机制进行了持续研究。本文首次系统总结了近年来燃气透平叶片表面污染物颗粒沉积特性数值研究进展,重点介绍了燃气透平叶栅流道内污染物颗粒的沉积机制、颗粒沉积和脱离物理模型以及颗粒沉积与透平叶片冷却特性相互作用的数值模拟方法和研究成果。基于当前研究热点和发展趋势,结合作者的研究经历,指出了国内在研发先进燃气轮机透平冷却结构时应注意的问题和方向,为高效、燃料适应性更广的燃气轮机技术自主开发奠定基础。     

Numerical simulation and experimental validation of ultrasonic de-icing system for wind turbine blade

It is widely accepted that wind energy is clean and renewable. However, icing on the blade surfaces of wind turbines is a serious problem in cold regions, which greatly affects its performance. Therefore, it is important to prevent ice accumulation on the surface of wind turbine blade and remove it whenever necessary. In this paper, a new non-thermal method–ultrasonic de-icing for wind turbine blade is proposed. Firstly, baced on the theory of ultrasonic de-icing, the harmonic analysis of the structure of the composite plate-ice layered system is investigated using the finite element method. The simulation results showed that ultrasonic de-icing method is feasible for wind turbine blade de-icing purposes. Secondly, the de-icing experiment of wind turbine blades using piezoelectric actuators is carried out in the freezer at a temperature of −15 °C, results showed that the ice layer can be debonded from the surface of wind turbine blade by the commonly used piezoelectric transducers made by PZT-5. The optimal frequency of ultrasonic de-icing of wind turbine blade is also given; finally, the installation way of ultrasonic transducers on the inner surface of wind turbine blade is given.     

基于数字图像相关技术的风电叶片静态特性试验研究

进行了风电叶片双轴静载试验,全程采用数字图像相关技术监测其全场三维变形。结果表明,在各工况荷载作用下,风电叶片的三维位移分布具有良好规律,而应变分布则无明显规律。3个方向位移中,平面外位移远大于平面内位移。双轴荷载作用下,风电叶片挥舞方向位移与摆振方向位移均随加载等级增大而增大。在风电叶片全场范围内,挥舞方向位移沿叶片展向逐渐增大,直至叶尖达到最大值。叶片各点的摆振方向位移均为负位移,负位移最大值出现在叶片中部。在叶根至41%叶长(55 cm)区域内,叶片各工况下的展向位移几乎接近于0;而在41%叶长至叶尖区域,当荷载较小时,叶片迎风面纤维的受拉伸长量大于平面外弯曲的展向位移分量而产生正位移;随着荷载增大,叶片平面外弯曲变形的展向位移分量大于迎风面纤维的受拉伸长量而产生负位移。     

叶片扰流器对风力机性能影响的数值研究

风力发电机组不断向大型化发展,风力机叶片的长度越来越长,为满足其结构要求,需要在叶片内侧采用厚翼型,而厚翼型在大攻角下容易导致流动分离,影响功率输出。本文通过对某一风力机叶片进行数值模拟,分析其近叶根处的流场,发现存在较大的流动分离现象。针对两种工况,在叶片内侧最大弦长位置增加环形扰流器后进行数值模拟,与原始叶片进行比较。结果表明:扰流器可以有效减小叶片内侧的流动分离区域,风速为11 m/s和15 m/s时功率都得到一定程度的提高,扰流器附近截面上的压力分布也有所改善。     

气冷涡轮级叶栅非定常流场数值模拟

采用具有三阶精度TVD性质的有限差分格式、自由型曲面网格技术、分区算法以及双时间步长的方法,对某型涡轮级叶栅流场进行了非定常NS方程数值求解,考察了在有、无冷气喷射条件下涡轮级气动性能的非定常变化。结果表明,上游静叶栅是否喷射冷气对下游动叶栅超音速区域的影响具有明显的区别,有冷气喷射时动叶栅前缘气动负荷降低,级效率下降约1%,但是不同动叶通道内气动性能随时间周期性变化的幅度明显减小了。     

Mitigation of edgewise vibrations in wind turbine blades by means of roller dampers

Edgewise vibrations in wind turbine blades are lightly damped, and large amplitude vibrations induced by the turbulence may significantly shorten the fatigue life of the blade. This paper investigates the performance of roller dampers for mitigation of edgewise vibrations in rotating wind turbine blades. Normally, the centrifugal acceleration of the rotating blade can reach to a magnitude of 7–8g, which makes it possible to use this kind of damper with a relatively small mass ratio for suppressing edgewise vibrations effectively. The parameters of the damper to be optimized are the mass ratio, the frequency ratio, the coefficient of rolling friction and the position of the damper in the blade. The optimization of these parameters has been carried out on a reduced 2-DOF nonlinear model of the rotating wind turbine blade equipped with a roller damper in terms of a ball or a cylinder, ignoring the coupling with other degrees of freedom of the wind turbine. The edgewise modal loading on the blade has been calculated from a more sophisticated 13-DOF aeroelastic wind turbine model with due consideration to the indicated couplings, the turbulence and the aerodynamic damping. Various turbulence intensities and mean wind speeds have been considered to evaluate the effectiveness of the roller damper in reducing edgewise vibrations when the working conditions of the wind turbine are changed. Further, the optimized roller damper is incorporated into the 13-DOF wind turbine model to verify the application of the decoupled optimization. The results indicate that the proposed damper can effectively improve the structural response of wind turbine blades.     

海上风电叶片智能控制实验系统研制及控制效果分析

随着风力机大型化发展,叶片尾缘襟翼控制技术,作为叶片流场主动控制的一种有效手段,能够有效、快速、灵活地降低叶片载荷,提高风力机,特别是大型风力机的可靠性、经济性,该技术受到国内外的广泛关注。为深入了解叶片襟翼实际作用效果及降载机制,在大量数值仿真计算工作基础上,需进一步开展带有襟翼控制的模型风力机风洞实验工作。本文在相似准则基础上,引入叶片展向环量、Polar线相似条件,对NREL 5 MW风力机叶片按1:105进行缩比设计,采用伺服电机驱动襟翼的结构方案对叶片参数进行修正,并根据BEM理论优化带有襟翼叶片的气动性能,最终确定带有襟翼控制的风力机叶片设计方案。最后利用气弹耦合仿真计算平台对带有襟翼控制的模型风力机进行性能计算,确定理想实验工况点及对应的降载效果。本文所开展的工作不仅能够为叶片缩比设计提供新思路,更有意义的是为襟翼控制系统在叶片中的实现提供有效借鉴。     

基于NURBS三维造型的粘性气动最优化设计技术

开发了用非均匀有理B样条对叶轮机械叶片进行参数化三维重构的建模方法,成功实现了透平叶片、压气机叶片和风扇叶片的统一三维重构,并把该模块集成到了基于商业软件iSIGHT的气动优化平台中。在该气动优化平台上通过选择不同的优化策略,对一透平叶片分别进行了“基迭方式气动优化”和“全三维气动优化”,结果证明优化效果显著。     

四级涡轮多叶片排三元N-S解网络并行计算

在科学与工程计算国家重点实验室SGI工作站网络上，基于PVM并行软件平台，发展了多叶片三元N-S解并行计算程序，对一四级动力涡轮内部流场进行了计算和初步分析．     

气膜孔角度对动叶前缘冲击/气膜复合冷却的影响

本文针对GE-E3第一级动叶前缘的冲击/气膜复合冷却结构进行了热流耦合数值研究。采用标准k-ω湍流模型,分析了前缘气膜孔对称布置时,其角度对透平动叶前缘冲击/气膜复合冷却特性的影响;在五种冷气质量流量比(MFR=0.005,0.010,0.016,0.020,0.025)下,研究了气膜孔在不同角度(β=20°,25°,30°,40°,50°,60°)时的透平动叶前缘冷却换热效果。研究结果表明:在本文研究范围内,气膜孔角度越小,透平动叶前缘的平均综合冷却效率越高;随着冷气质量流量比增大,透平动叶前缘的平均综合冷却效率逐渐提高。     

开缝式风力机静态失速特性的研究

本文通过数值模拟的方法,研究了三种开缝方案对风力机静态失速特性的影响,模拟结果表明,开缝式风力机静态失速特性较为平坦,风力机开缝对静态失速进行控制的方法是可行的,由下风面到上风面开缝的方案在多冲角工况下有较好的静态失速特性.开缝结构的吸气口具有堵塞效应,排气口的排气会明显干涉来流的流动,因此开缝方向和开缝口处的形状对开缝效果的影响显著.     

涡轮叶片的解析成型与优化设计方法

本文发展了一种对于涡轮叶片用任意圆锥曲线作为基本曲线实现几何成型的解析方法,大量试算表明,该方法可以适应相当大一部分涡轮叶片几何造型的需要．本文还用正反问题相结合的方法对实用中的涡轮叶片进行改型优化,取得了较好效果,Ｎ－Ｓ流场分析表明,改型后的新叶栅比原叶栅性能有明显改善．     

Dynamic response of a horizontal axis wind turbine blade under aerodynamic,gravity and gyroscopic effects

This work presents analytical and numerical dynamics studies of a horizontal axis wind turbine blade subjected to aerodynamic, centrifugal, gravity, and gyroscopic loads. The blade, assimilated to a long beam of variable cross section, is composed of homogeneous and isotropic material. It is discretized with blade elements of constant sections. Using Finite Element Method (FEM), the assembly of these elements constitutes an approximate model of the blade. The analytical study consists on defining the elementary matrices of rigidity, mass, and gyroscopic coupling between vibration and the blade rotation, as well as the elementary vector of the external loads. The numerical study deals with the resolution of the linear system of equations of the blade motion. Then, it will be possible to calculate its static and dynamic responses for a practical case. The numerical results show that the blade presents cyclic deformations under the considered loadings. These sustained vibrations directly affect the fatigue life of the blade, leading to a significant reduction in the operational efficiency of the wind turbine.     

风力机叶片气动噪声的影响参数*

随着风力机的大型化，风电机组对环境的影响不容忽视，必须对风力机气动噪声进行预测和控制。选取基于NACA、DU翼型的某风力机叶片作为研究基准，采用修正BPM半经验模型计算叶片的气动噪声特性，通过改变翼型族、弦长、机组运行状态、风切变指数、来流风向参数，研究叶片外形几何参数、机组运行工况对叶片气动噪声源的影响。计算结果从多个角度总结出水平轴风力机叶片气动噪声的变化规律，为开发高效低噪风电叶片提供参考。