基于振动性能优化的风力机叶片设计

风轮是风力机最重要的部件之一,设计良好的风轮是风力机获得较高风能利用系数和较大经济效益的基础.本文应用Wilson气动理论设计了 100 W 水平轴风力机叶片,并兼顾振动性能对设计参数进行修正.对设计的风轮进行了模态实验和气动外特性实验,实验结果表明,所设计的风力机在低风速时基本能够达到设计的风能利用系数,并使得风力机在运行时避开转速共振区,延长风轮寿命,从而降低设计成本.     

缘线匹配技术在轴流透平设计中的应用探索

缘线匹配技术是叶轮机非定常气动设计技术,它以叶轮机相邻叶排前、后缘线空间相对位置为非定常设计自由度来进一步提升叶轮机性能,这在叶轮机定常设计框架下是不能考虑的。本文以单级蒸汽透平设计为例对缘线匹配非定常设计技术进行数值研究,初步展示了缘线匹配的应用方法及其设计验证,数值计算结果表明缘线匹配技术为叶轮机非定常气动设计提供了有效的设计自由度。     

基于自由涡的风轮失谐气动特性研究EI北大核心CSCD

采用一种改进的自由涡方法研究了风切变条件下,叶片安装角存在偏差的失谐风轮的气动特性。计算方法由模拟叶片气动力的非线性升力线法和模拟尾迹涡运动的时间精确自由尾迹法构成。以某2.5 MW风力机为例,计算了功率曲线和叶片气动力分布,并与Bladed软件和CFD计算结果进行了比较。研究了切变风条件下,不同叶片安装角偏差量,风轮推力、扭矩、偏航力矩和俯仰力矩的变化。结果表明,所采用的计算方法是准确有效的。风轮叶片安装角偏差,对风轮推力和扭矩影响较小,对风轮偏航和俯仰力矩影响较大。不同叶片安装角偏差量相反,会显著增加风轮偏航和俯仰力矩波动。     

基于自由涡的风轮失谐气动特性研究

采用一种改进的自由涡方法研究了风切变条件下,叶片安装角存在偏差的失谐风轮的气动特性。计算方法由模拟叶片气动力的非线性升力线法和模拟尾迹涡运动的时间精确自由尾迹法构成。以某2.5 MW风力机为例,计算了功率曲线和叶片气动力分布,并与Bladed软件和CFD计算结果进行了比较。研究了切变风条件下,不同叶片安装角偏差量,风轮推力、扭矩、偏航力矩和俯仰力矩的变化。结果表明,所采用的计算方法是准确有效的。风轮叶片安装角偏差,对风轮推力和扭矩影响较小,对风轮偏航和俯仰力矩影响较大。不同叶片安装角偏差量相反,会显著增加风轮偏航和俯仰力矩波动。     

考虑风剪切的漂浮式风力机气动特性研究

波浪与风载的共同作用下,海上风电机组平台存在多自由度运动,同时伴随着海上复杂的风况,其气动特性变化较为复杂。以NREL5MW风电机组为研究对象,在风剪切来流下,依据波浪和风载的作用规律,研究平台纵摇和纵荡运动对机组气动特性和绕流场细节的影响。结果表明:平台运动会造成风电机组气动性能的周期性波动,而风剪切作用使得风电机组平均发电量降低并加剧功率和推力的波动。风剪切会增大纵摇运动过程中展向截面的法向载荷幅值且波动加剧,但会降低与功率输出有关的切向受力;风剪切作用推迟了纵荡运动过程中展向截面法向和切向载荷峰值出现时刻,加剧载荷的波动。外叶展截面的法向和切向力系数曲线出现平台,加剧了叶片疲劳载荷,减小了功率输出。     

基于满秩概率配置法的叶片安装角不确定性分析

本文采用满秩概率配置(Full Rank Probabilistic Collocation,FRPC)法研究了叶片安装角随机误差(Stochastic Error of Blade Setting Angle, SEBSA)对涡轮叶栅气动性能的影响规律。首先通过测试函数对FRPC法的计算效率及精度进行了验证,然后采用该方法研究了涡轮叶栅中单个叶片、两个相邻叶片及两个相隔叶片存在SEBSA情况下的气动特性.结果表明,静压系数C_p及出口速度对SEBSA敏感,SEBSA对C_p的影响主要表现在叶片的吸力面、尾缘及分离区域等速度梯度大的区域,且对吸力面40%轴向弦长位置的影响最大;随着存在SEBSA的叶片数目的增多及叶片分布的分散,不确定性的影响产生了抵消效应;SEBSA对流场的影响沿负周向方向传播,且其影响范围是负周向二个叶片及正周向一个叶片.     

缘线匹配技术在轴流压气机设计中的应用探索

叶轮机缘线匹配技术以叶轮机相邻叶排前、后缘线空间相对位置为非定常设计自由度来进一步提升叶轮机性能,这在叶轮机定常设计框架下是不能考虑的。本文以单级轴流压气机设计为例对缘线匹配非定常设计技术进行数值研究,初步展示了缘线匹配的应用方法及其设计验证,数值计算结果表明缘线匹配技术为叶轮机非定常气动设计提供了有效的设计途经。     

风力机叶片气动性能及流固耦合分析

采用RANS方程和SST湍流模型,在不同风速下对Tjaereborg风力机风轮进行了全三维流固耦合数值模拟,分析了流固耦合作用对风力机气动特性及风力机叶片结构特性的影响。结果表明:小风速时流固耦合作用对叶片气动性能的影响基本可以忽略;中高风速时,影响作用显著,风力机叶片会发生挥舞、摆振及扭转变形,叶尖是变形量最大的位置,叶片应力集中出现在叶展50%~85%范围内。     

施加模态振型后风轮表面动压分析

风轮运行过程中存在来流激励的振动响应,为了使计算结果更接近真实情况,应该在风轮的数值模拟研究中考虑振动情况。本文在水平轴风力机风轮表面动压模拟计算中施加了一阶对称挥舞振动。风轮模态参数通过单点激励多点响应的试验模态分析方法获得,根据动网格技术中网格变形的要求拟合一阶挥舞振动振型特征向量,定义的模态振型控制方程通过用户自定义函数施加于风轮模型,风轮的旋转通过滑移网格技术实现。大涡模拟计算结果表明:旌加模态振型后,风轮表面动压呈周期性变化,其脉动频率与叶片旋转频率不一致;随着尖速比和来流风速的增加,动压脉动频率均增加,且增加幅值逐渐放大,其中来流风速对动压脉动频率的影响更显著。     

获得综合优化流型的叶片成型发法和设计方法

一、引言 透平通流部分每一次重大改进实质都是一种流型的更变。我们称透平通流部分气动设计几个发展阶段所对应的流型是:直叶片流型,简单扭曲流型,可控子午型面流型,可控涡流型,叶片可控弯曲流型。后三个流型是现代叶轮机气动设计的基本出发点,三种流型每个流型都有自己的长处和弱点,单一采用一种流型进行气动设计是不会令人满意的。为改善单一流型的气动性能,应综合考虑各种流型的优缺点,充分发挥三个流型的共     

尾缘结构变化对空调外机轴流风叶声场的影响*

为探索空调外机轴流风叶尾缘结构变化引起的气动声学变化,参照国标噪声测量方法,搭建传声器阵列,测量不同尾缘结构风叶在不同转速下的声压级信息;采用波束形成技术,探究不同尾缘结构风叶在不同转速下的声源位置分布规律。结果表明：与原风叶对比,尾缘凹陷结构风叶、尾缘微孔结构风叶、尾缘锯齿结构风叶均能有效降低气动噪声,其中尾缘凹陷结构风叶可降低噪声1.93 dB-2.78 dB;原风叶、尾缘微孔结构风叶、尾缘锯齿结构风叶声源位置随频段的增加逐渐远离旋转中心,其中在频段Ⅰ四种风叶声源位置都位于轮毂和叶根附近,在频段Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ尾缘凹陷结构风叶声源位置分布在尾缘凹陷结构区域附近。为优化风叶气动声学性能提供试验参考。     

NREL PhaseⅥ叶片气动性能数值分析

本文采用CFD软件包FINE~(TM)/Turbo,以两叶片NREL Phase Ⅵ风力机的风轮为对象,进行风轮三维绕流的定常黏性数值分析研究.详细对比了计算结果与实验数据,包括功率、叶片展向五个截面压力系数分布及沿展向载荷系数分布,并分析了三维黏性流场流动细节.结果显示在大部分风速条件下数值模拟可以很好地预估风力机气动性能,在所有计算风速条件下均能够较好地模拟叶片表面的压力分布和展向载荷分布.在失速条件下对根部大分离区的模拟有偏差.     

来流马赫数波动对扩压叶栅气动性能的影响

准确地掌握来流马赫数的波动(即不确定性)对扩压叶栅的气动性能的影响对于指导压气机设计具有重要意义。采用非嵌入式混沌多项式方法,从统计学的角度评估了随机来流马赫数对扩压叶栅气动性能的影响,并着重对比分析了不同攻角和不同随机来流马赫数工况下来流马赫数的不确定性对扩压叶栅气动性能的整体影响和随之带来的气动性能的波动影响。研究结果表明,来流马赫数的不确定性的确对叶栅气动性能产生影响:来流攻角偏离设计攻角越多,叶栅的气动性能对来流马赫数的不确定性越敏感,且在叶栅通道中反应较敏感区域的范围及位置均随着攻角的变化而变化;随机来流马赫数越高,叶栅的气动性能对来流马赫数的不确定性越敏感。     

尾缘凹陷轴流风轮内流特性分析与降噪研究

为减少空调室外机用低压轴流风轮叶片的颤振,改善音质,降低噪音和电机功率。本文设计了尾缘凹陷新型三叶轴流风轮,同时除对前缘局部加厚处理外,对叶片其他区域整体减薄。文中采用Navier-Stokes方程对新风轮和原风轮的内流及气动特性进行了三维数值模拟,同时对两者的流量压力曲线和噪音频谱进行了实验研究。研究表明:对轴流风轮叶片尾缘进行凹陷设计,对前缘以外的区域减薄设计,能够减轻风轮重量,降低电机负荷同时减弱转子尾迹;对叶轮前缘进行局部加厚处理可以减小叶尖颤振,降低叶片旋转频率峰值噪音,从整体上降低噪音,改善音质。     

大小叶片贯流风机内流特性分析与实验研究

为降低空调用贯流风机的噪声,改善音质,通过采用直叶片贯流风轮达到斜扭叶片贯流风轮的音质和低噪声特性,从而降低贯流风轮的制造成本,本文设计了大小叶片交错组合的新型非等距贯流风机,并采用滑动网格对其内流特性进行了非定常数值模拟,同时对其气动噪声特性进行了实验研究.大小叶片贯流风机的偏心涡基本稳定在叶轮中心与蜗舌相连的切线上,位于叶轮内圆周附近.风轮非定常运转时,偏心涡的涡核位置在直径为2mm的圆所围成的区域内变化.大小叶片交错组合的贯流风轮改变了叶轮与蜗舌的间距,有效地降低叶片通过频率噪声并改善了音质.采用大小叶片交错组合的贯流风轮能够达到斜扭叶片贯流风机的降噪效果.     

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。     

风轮结构动力学参数优化改进方法研究

提出三种风轮结构动力学性能改进方法,在风轮实际挂机安装条件下进行模态测试。研究发现:翼型加厚可有效提升风轮前三阶固有频率15%以上,但却会使风轮共振带拓宽;双夹板式叶片连接方式可使风轮1阶固有频率明显下降,但却使风轮2、3阶固有频率显著升高,且亦会使风轮共振带拓宽;沿叶展方向开槽和加肋提升风轮前三阶固有频率的程度相对较小,其对各阶反对称振动频率的提升效果较同阶对称振动频率提升效果显著,且不会造成风轮共振带的拓宽;翼型加厚和双夹板式叶片连接方式可实现风轮前三阶振动阻尼比呈较均匀稳定的下降;沿叶展方向开槽和加肋虽使风轮1阶反对称振动阻尼比增大,但随振动阶数升高,可使阻尼比一直保持稳定的下降趋势。     

2.5MW风力机叶片流固耦合数值模拟

以MpCCI为数据交换平台连接商用CFD软件NUMECA与CSD软件ABAQUS,对不同风速下2.5 MW风力机DF90风轮叶片进行了全三维流固耦合数值模拟,分析了叶片型变与流场的相互作用对叶片气动特性、结构特性的影响。     

大分离条件下风力机叶片三维定常数值模拟研究

为了改善失速条件下风力机气动特性的CFD模拟精度,采用定常的RANS求解方法和一方程S-A湍流模型,数值模拟定桨距型风轮叶片LM19在高风速(18m/s)条件下的气动特性.首先讨论了由流动大尺度分离导致计算收敛曲线大幅度振荡时数值结果的处理方法,然后分析了计算域尺度和网格密度对数值模拟结果的影响,为失速条件下风力机气动...     

涡发生器对风力机翼型动态失速的影响

基于计算流体力学方法(CFD),对带/不带涡发生器的风力机翼型DU-97-W-300的静态和动态气动特性进行了数值研究,在数值计算的静态升力系数与实验值吻合较好的前提下,分析了其动态失速过程中气动性能的迟滞变化规律。干净翼型在攻角减小中的气动性能呈现周期性波动,涡发生器可以有效控制分离流动,明显提升翼型动态过程中的气动性能.