垂直轴风力机叶片表面结冰的风洞试验

为研究垂直轴风力机叶片表面结冰的规律以及结冰对其性能的影响,对采用NACA0018翼型的风力机叶片进行了风洞结冰试验研究。在风洞试验段内安装了喷水装置,室外的寒冷空气被吸入风洞后与过冷水滴一起吹向叶片并碰撞结冰。测试了不同水滴流量和叶片攻角下的叶表结冰分布及叶片的升阻力系数变化。在一定攻角范围内,叶表结冰量随翼型迎风面积增加而增加;结冰后的阻力系数增大,升力系数减小,叶片的气动特性降低。     

高尖速比下非对称翼型叶片结冰风洞试验

对于安装在湿冷环境下的风力机,极易遇到风力机表面结冰问题。风力机表面结冰严重影响了风力机的正常运行。为了研究垂直轴风力机在较高尖速比下的叶片表面结冰分布,本文采用了一种基于自然低温的结冰风洞试验方法。在低温环境下对采用S809非对称翼型的垂直轴风力机叶片进行试验,测试了在三种尖速比下的叶片表面结冰,并分析了结冰面积的变化。结果发现,当风力机尖速比超过1以后,叶片表面不再完全被结冰覆盖。主要结冰区域为叶片前缘,同时有横向生长的冰溜产生。     

结冰对风力机叶片影响的数值研究

本文利用商用CFD软件Numeca针对NREL Phase VI风轮结冰前后进行数值计算,计算包含风速由5 m/s至17 m/s区间各典型工况,并对计算结果进行了气动参数和载荷等相关分析。由此得出结论:结冰可以带来最高达51%的功率损失,同时会使风力机提前失速以及提高了启动风速等;结冰会导致在较高风速下叶根挥舞弯矩急剧增大从而增大叶片叶根强度要求;另一方面由叶片沿展向载荷分布得出结冰对整机影响主要集中在大于90%叶展的外侧区域,该区域是除冰防冰系统主要作用区域。     

基于超声微振动的风力机叶片除冰研究

风力机在寒冷潮湿地区工作时,叶片表面会产生积冰,降低叶片气动性能。为减少或去除积冰,提高风力机发电效率,本文开展了风力机叶片超声微振动除冰研究。设计了前缘为中空结构的翼型叶片,仿真计算了除冰振型,制作了叶片样件,测量了样件的固有频率。搭建了冰风洞试验系统和超声驱动系统,研制了一款翼型叶片冰层切向黏结力测量装置,开展了叶片超声微振动结冰时除冰和结冰后除冰研究,测量并计算了叶片表面结冰量和冰层黏结剪应力。研究结果表明,当结冰环境温度较高时,叶片结冰时超声微振动可以降低结冰量,具有除冰作用。在结冰后除冰中,可以显著降低冰层黏结强度。激振频率为21.2 kHz时,黏结强度最低,约为0.084 MPa。本研究为深入开展风力机叶片超声除冰技术奠定了基础。     

旋转叶片结冰风洞试验研究

水平轴风力机叶片结冰研究是当前以及未来风力机可靠性研究的一个重要方向。本研究旨在搭建一套可模拟绕轴旋转状态下的玻璃钢叶片结冰试验系统并对其进行验证,为实际风力机叶片缩比模型结冰风洞试验提供研究基础。试验系统采用自行设计的基于自然低温的结冰风洞试验系统以及旋转叶片试验台,对翼型为NACA0018的玻璃钢叶片进行绕轴旋转结冰风洞试验。结果表明:在不同环境工况下,叶片的结冰形状虽然不规则,但仍有一定的规律性,通过建立冰形评价方法可以获得其典型特征量的变化趋势。利用回归正交实验设计,将无因次结冰面积与无因次结冰驻点厚度这两个典型特征量作为响应值,获得了结冰规律曲线,与试验值相比在一定范围内具有较高的重合度。本试验系统可用于进行风力机叶片结冰研究,本研究结果可为叶片的防除冰提供参考。     

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。     

可调低稠度扩压器对提升离心压缩机气动性能的数值研究

本文以某燃料电池车用高速小型离心压缩机为研究对象,采用商业软件ANSYS CFX,分析了70000~100000r/min不同转速下,从阻塞到喘振流量范围内,低稠度扩压器叶片安装角分别为10°、15°、20°、25°时,离心压缩机的级性能变化,并与无叶扩压器进行对比。数值结果显示,低稠度扩压器提高了静压恢复系数,扩压器内径向方向和叶高方向减速均匀,流动损失小。可调安装角的低稠度扩压器可在各转速下较无叶扩压器提高约8%的流量范围,并且能在各工况提高至少压缩机4%的压比及等熵效率。通过分析各工况下压缩机比转速、扩压器进口冲角和叶片安装角之间的关系,基于响应面模型给出进口冲角和叶片安装角相对比转速的多项式,为可调低稠度扩压器的实际应用提供研究基础。     

涡流发生器对风力机专用翼型气动特性的影响

为了深入研究风力机叶片的减阻方法及效果,本文探讨了涡流发生器对风力机专用翼型的气动性能的影响。研究对象为直叶片段,涡流发生器安装在叶片段20%弦长处,并采用CFD方法对光滑叶片段及安装涡流发生器后的叶片段分别进行了模拟,得到了翼型的气动特性曲线。对比14°攻角下的两种情况的流动特性,发现在大攻角的情况下,涡流发生器确实能够推迟流动分离,从而极大地减小翼型的阻力,并且增大了翼型的最大升力系数;其次,本文分析了涡流发生器对叶片段表面压力分布的影响,发现涡流发生器对下游方向的影响明显大于对上游区的影响,这一点与涡流发生器搅乱下游流场的作用是一致的;最后,本文分析了涡流发生器控制流动分离的机理。     

切变来流下风力机叶片应力耦合性分析

针对水平轴风力机叶片工作过程中产生裂纹、断裂等疲劳损伤问题,结合风资源数据和风力机的结构参数,将不同风切变函数的自然风来流条件编译成UDF函数对Fluent软件进行二次开发,分析两种翼型(NACA4415翼型和S翼型)风力机叶片的应力分布规律。结果显示:切变来流风速不同时,在气动力、离心力和重力耦合作用下,两种叶片从垂直向上方位按照顺时针旋转至30°位置时应力值最大,且叶片最大弦长截面靠近无因次弦长位置x/C=0.4应力值最大,NACA4415翼型叶片气动中心线(x/C=0.25)处应力沿翼展方向先增大(r/R=0.49最大)后减小,而S翼型叶片沿气动中心线逐渐减小;在相同切变来流风速下,S型叶片的截面尺寸相对较大,气动力、离心力和重力均大于NACA4415型叶片,其应力值也较大;关键位置气动中心线处的应力值较叶片前缘、后缘以及叶背最高处位置的应力都大。仿真结果对于风力机翼型的选择及优化具有重要的参考价值。     

大厚度钝尾缘翼型的设计研究

本文研究了MW级水平轴风力机叶片内侧翼型的设计准则,采用混合设计方法得到了四种适用于该部位的大厚度钝尾缘翼型:依据一个5 MW风力机的运行特征和性能需求,在不同的设计雷诺数下,以翼型在运行攻角范围内的升力水平为主要气动目标,以升力随雷诺数变化的稳定性为主要约束。RFOIL预测表明,在15°~30°攻角之间,四种翼型的升力系数大致从1.0以近似线性方式增加到1.7,升力曲线随着雷诺数变化稳定,具有良好的变工况特性。     

离体射流的位置对翼型气动特性的影响

为了改善风力机叶片流动分离现象,本文在雷诺数为1×106、来流攻角21°时研究了离体射流微小圆柱的分布位置对NACA0018翼型气动性能的影响.首先分别在翼型前缘前和上表面附近,研究离体射流微小圆柱的射流动量对翼型气动性能的影响,发现两种位置下翼型的气动性能都有所改善,其中上表面附近控制时效果更好;接着研究控制装置在上...     

风力机叶片覆冰的数值模拟

风力机叶片覆冰会使风力发电效率下降并且威胁风力机组的安全运行。本文采用Fluent中的欧拉多相流模型,通过添加质量传递以及对流换热系数计算模型等,实现了对风力机叶片表面覆冰的二维数值模拟,结果表明:覆冰主要出现在叶片的前缘迎风面,且驻点附近覆冰最多;当增大翼型攻角时,驻点向翼型的下部尾部移动,最大覆冰位置也相应地移动;随着时间的推移,叶片表面覆冰增多。     

涡流发生器对风力机叶片流动控制的数值研究

基于γ-Reθt转捩模型,对旋转工况下加装涡流发生器NREL Phase Ⅵ风力机进行CFD数值模拟.本研究在叶片吸力面加装30对涡流发生器,分析来流风速7、10、13、15、20、25 m/s六个工况下,叶片表面绕流、风轮转矩和叶片表面压力系数及表面流线的气动仿真结果,并与NREL试验数据、光滑叶片模拟结果比较分析.研究结果表明,涡流发生器明显改善叶片表面的流动分离,提高叶片输出转矩,其中10、15、20 m/s风速下分别提升3.7％、10.8％、14.6％;从剖面流场看,涡流发生器可以使涡强度减小、涡高度降低、分离涡后移,对提升风力机气动性能等意义重大.计算结果与Phase Ⅵ风力机试验结果吻合良好,湍流模型的输出转矩最大误差仅9.3％.     

变工况下缩放型流道涡轮动叶中激波对吸力面气膜冷却的影响

为了研究涡轮缩放型流道动叶中尾缘燕尾型激波与叶片吸力面相互作用对气膜冷却的影响,本文对不同转速和不同吹风比下无导叶对转涡轮高压动叶吸力面上激波与二次流对冷却流动及壁面静温的影响进行了数值研究。冷却孔位于高压动叶吸力面约30%轴向弦长处,沿叶高均布。共模拟了三种转速(高压动叶),分别为5460r/min、6970r/min和7800r/min;在每个转速下分别模拟了两种不同冷却气流进口速度,分别为10m/s和20m/s。从模拟结果可见,高压动叶吸力面上静温过激波作用位置后会有明显的上升,且在不同工况和不同冷却条件下静温升的大小存在差异。在高压动叶吸力面两端,冷却效果下降明显,二次流成为影响气膜冷却的主导因素,尤其是在叶片顶部。     

基于一种改进的PSO算法在风力机叶片优化中的应用

建立了一种新的风力机风轮叶片的优化设计模型,在模型中考虑了风场风速在一年中的概率分布.采用给定风力机风轮直径和转速,且叶尖桨距角为零度时,使风力机在整个工作风速范围内和某一给定风速范围内风力机年平均输出功率同时最大为设计目标.并将一种改进的PSO优化算法LDW-PSO算法用于风力机叶片的优化设计.与已有的叶片相比,设计结果显示了其优越性,从而说明了该方法的可行性和实用性.     

离心载荷作用下风力机叶片表面应力分析

本文运用数值模拟的方法针对某加厚翼型300 W小型水平轴风力机风轮进行离心载荷作用下叶片表面应力特性规律研究。通过设定较接近叶片实际运行状态的边界条件,得到离心载荷作用下叶片表面各参考点的应力值,并利用TST5925C无线旋转遥测系统对数值模拟结果进行验证分析,旨在探究在离心载荷单独作用下,叶片表面的应力特性随转速的变化规律。结果表明:不同转速下,叶片应力集中区均位于靠近叶根最大弦长(0.2R)处的翼型截面中部0.45倍相对弦长附近,随着转速的增加,应力集中的范围逐渐向外扩展,并呈现向前缘发展的趋势,发展至叶尖区最大应力出现在0.25倍相对弦长附近;其中等效应力沿叶展方向叶根至0.5R区域减小较快,0.5R至叶尖减小趋势相对平缓。相关结论可以为小型水平轴风力机叶片应力特性的研究提供参考。     

5kW遮蔽-增速升力型垂直轴风力机优化设计

本文详细介绍了5 kW遮蔽-增速垂直轴风力机的结构特点及主要参数。利用正交优化设计方法,采用计算流体力学软件,针对5 kW风力机,在叶片个数和遮蔽板安装位置半径一定的情况下,对翼型弦长、叶片转动扫掠面的半径、风轮旋转速度、遮蔽-增速板个数、遮蔽-增速板与叶片间的气动间隙以及遮蔽-增速板的安装角六个参数进行优化计算,找出一组最佳设计参数,进而设计出5 kW遮蔽-增速升力型垂直轴风力机,并对设计出的有遮蔽板与无遮蔽板两类型风力机的变工况特性进行比较分析。     

柔性叶片风力机翼型气动性能数值模拟

利用Fluent软件,采用RNGκ-ε湍流模型,模拟不同曲率叶片在不同迎角时的流场特性和叶片表面压力特性,并获得速度场和压力场分布,分析各种工况下流体在叶片附面层的附着和分离情况,利用升力系数计算公式计算每种工况下叶片的升力系数,初步揭示了叶片曲率和迎角对叶片升力的影响规律,为柔性叶片风力机性能优化提供理论指导。     

风力机翼型的不确定性CFD模拟

本文采用非嵌入式概率配点法对风力机NREL_S809翼型进行了不确定性CFD模拟。在两种特征攻角下,量化了当来流攻角存在不确定性变化时,翼型气动特性的变化,以及不确定性扰动在流场中的传播。研究结果表明,攻角的不确定性对于大攻角工况下流动的影响更大。对小攻角条件下的影响主要体现在翼型前缘处,而大攻角条件下的影响还扩展到了翼型中部和尾缘部分。     

叶片扩压器进口安装角对离心压缩机性能影响的数值与实验研究

对不同扩压器进口安装角下离心压缩机的性能进行了实验研究,并详细计算分析了相应的流场分布。分析表明, 不同的进口安装角对压缩机的流动有较大的影响,压缩机的性能曲线也有不同程度的左右偏移;进口处较大的正冲角和负冲角均会在扩压器叶片表面出现大尺度的分离涡团;在给定的流量工况下,应存在一个最佳的进口安装角,使得扩压器效率最高;设计工况下,最高效率所对应的冲角并非为零。