水平轴风力机叶片气动性能研究

以动量-叶素理论为基础建立了水平轴风力机叶片气动计算模型,同时考虑叶尖损失、叶根损失及失速状态下动量理论的失效对动量-叶素理论进行修正,通过对NREL10 m风力机叶片进行气动性能计算,通过与实验数据的对比,探讨模型的准确性.     

后掠风力机叶片气动性能数值模拟

采用商用软件FINE~(TM)/Turbo,以2.5MW风力机DF90风轮叶片为原型,在确认数值方法的基础上,将中叶展以上做后掠变型,进行三维定常数值模拟研究,讨论了后掠叶型对叶片气动特性的影响,并提出了一种定义后掠叶片静压系数的方法。     

水平轴风力机专用翼型族设计

本文采用正问题方法设计了适用于我国风况的风力机专用翼型族CAS-W1-XXX系列。包括最大相对厚度为15%～60%的11个不同厚度,适用于叶片根部到叶尖所有部分,设计雷诺数为3000000。设计中选择NUMECA软件中的AUTOBLADE模块进行翼型的几何造型,使用XFOIL进行翼型的气动持性和几何持性分析。通过XFOIL对设计结果进行分析得出CAS-W1-XXX翼型族具有良好的气动持性,前缘粗糙不敏感性以及良好的几何兼容性。     

叶片弯掠对风力机气动性能的影响

叶片形状的变化对叶片的气动性能有着显著的影响,采用合理的叶片形状可以有效地提高叶片的气动性能。本文采用带自由尾迹的升力面法,研究了风力机叶片的弯掠对风力机整体气动性能的影响。预测结果显示采用前后掠的叶片在一定程度上改变风力机的风能利用系数。使用后掠叶片使叶片在中后段部分所受升力小于前掠叶片上对应升力,而在叶片前端所受升力大于前掠叶片上对应升力,同时使用后掠叶片将在一定程度上增加风力机风能利用系数,而使用前掠叶片则减少风力机风能利用系数。采用上弯或下弯形式的叶片同样也会在一定程度上提高风力机的风能利用系数。     

水平轴风力机专用翼型性能评估方法

本文提出了风力机翼型完整的性能参数体系和相应的评估方法,并以此评估了CAS-W1翼型与DU翼型的性能特征。对翼型性能的评估侧重于失速特性、非设计点特性和翼型气动性能的稳定性。评估结果表明,相对于DU翼型,CAS-W1翼型系列设计点性能和非设计点性能较好,但是失速特性和性能稳定性需要优化。     

水平轴风力机结构动力学分析

本文以水平轴风力机为研究对象,基于动量-叶素理论和广义坐标系下的多自由度拉格朗日方程,利用模态分析方法建立了风轮、机舱和塔架耦合系统的运动方程,并用FORTRAN语言编制仿真程序.对风力机Turbowinds T600-48的固有频率和动态响应特性进行计算,并与实验数据对比分析,初步结果表明该程序的有效性.     

风力机叶片气动载荷研究方法探究

在风力机叶片气动载荷计算方法方面,CFD方法耗时较长,不适合载荷快速评估的需要。动量叶素理论方法以二维翼型气动数据为依据,结合经验公式进行计算,但无法给出载荷分布的具体信息。为了探索高效、准确的载荷评估方法。本文针对风切变入流条件,采用非定常求解方法进行二维叶片气动模型的载荷计算研究,并与三维计算结果相对比,分析了两种方法对计算结果的影响与各自的适用性。     

水平轴风力机尾流扩散特性的数值研究

本文采用Fluent软件对半径0.7 m,翼型NACA4415的水平轴风力机的三维非定常尾迹流场进行了大涡模拟(LES)计算,计算结果表明:轴向速度分布相对于尾迹中心不对称,同一风速下,在靠近叶根圆周区域,距离风力机旋转平面2R处风力机轴向速度达到最小,由2R~3R区域逐渐过渡,然后增大最终恢复周围环境速度;而在靠近叶尖的圆周区域,在距风轮旋转平面1R处达到最小值,由1R~2R区域逐渐过渡,最终达到周围环境速度;中心涡对尾流影响的长度要大于叶尖涡对尾流长度的影响。尾流区不仅存在叶尖涡和中心涡,还存在叶片尾缘涡;低风速对尾流长度的影响要小于高风速。     

水平轴风力机偏航气动性能分析

基于计算流体力学方法(CFD),采用带Gamma-Theta转捩的T-SST湍流模型,对NREL PhaseⅥ风力机在9个偏航角的气动特性进行了全三维非定常数值模拟。计算的功率与实验值吻合较好。提取了叶片截面翼型几何攻角和有效攻角,分析了不同偏航角下风轮的功率、推力,以及叶片沿展向各截面压力分布和法向力载荷系数的变化规律。偏航工况下,在旋转周期内,风轮功率、推力呈现2P波动性质,叶片气动载荷沿旋转方向呈现余弦交变性质。轴向来流工况时,叶片绕流的三维效应不明显。随着偏航角增大,三维迟滞回环越来越明显,且逐渐从内叶展过渡到中叶展,外叶展的迟滞效应不明显。     

提高水平轴风力机叶型升力的实验研究

本文针对某水平轴风力机叶片不同叶高分布的两种叶型,在头部不同位置加入不同频率和动量的振荡射流进行对比实验研究,得到不同情况下叶型的表面压力分布。发现在叶片吸力面头部某些位置加入一定频率和动量段范围内的振荡射流,可以有效的提高叶型的升力系数,达到改善风力机叶型气动性能的目的,为风力机叶片的流动控制技术提供了一种有效的方案。     

风力机叶片固有频率优化设计研究

基于有限元方法,开发了风力机叶片固有频率计算程序,以商用1.5MW叶片为实例,与试验对比,验证了本程序的适用性。采用粒子群优化算法,通过优化叶片梁帽质量分布,从而提高叶片的固有频率。结果表明,优化后的一阶挥舞频率比原来提高了3%左右。     

基于FlowVision的水平轴风力机偏航气动性能研究

为了能够准确的分析偏航条件下风力机的气动性能变化规律,本文应用FlowVision模拟了轴向来流和偏航下水平轴风力机气动性能的变化规律,并以TJ(?)EREBORG风力机为例进行验证,确认了数值分析的可靠性;在偏航风速条件下,数值计算结果可以很好地反映偏航下气动特征,偏航导致叶片气动性能和载荷分布的周期性波动,波动趋势近似余弦曲线,尾迹存在较为明显的偏斜现象。     

后掠叶片锯齿尾缘宽频噪声实验研究

本文采用线性传声器阵列分别对具有常规尾缘及锯齿形尾缘的后掠叶片的尾缘噪声进行了实验测量;运用CLEAN-SC数据处理方法精确地识别出叶片尾缘噪声的声学参数.并且基于多组实验结果的对比,深入研究了不同的尾缘锯齿长度、周期、几何比例对后掠叶片尾缘噪声降噪效果的影响.实验结果表明:在低湍流度、自由来流情况下,在总声压级降噪方...     

波浪前缘降低后掠叶片前缘噪声数值模拟研究

采用大涡模拟(LES)结合Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)方程研究了波浪前缘对后掠叶片前缘宽频噪声的降噪效果。通过放置于叶片上游的圆柱产生各向异性的湍流,湍流与后掠叶片相互干涉产生宽频噪声。气流流速设置为40m/s,基于叶片弦长和基于圆柱直径的雷诺数约为400000和26000。在该研究中,研究对象为直前缘后掠叶片和波浪前缘后掠叶片。结果表明:当来流为各向异性的湍流时,波浪前缘可以降低叶片干涉噪声,并且在各个远场方位角下均能降低噪声总声压级而不改变其指向性,添加波浪前缘叶片降噪量约为2.3~3.4 dB。通过分析计算流场发现,波浪前缘可以改变后掠叶片前缘周围气流的流动方式,降低叶片前缘周围的压力脉动和叶片的不稳定载荷。     

水平轴风力机叶尖涡流动的PIV测试

在风洞开口实验段,针对不同尖速比应用PIV技术对风轮附近1/3圆周内的瞬时速度场进行测试。随着尖速比的增加,叶尖涡运动的径向位移增大,涡流诱导效应区域半径扩大,使整体尾迹半径增大;同时,尖速比增加使尾迹轴向速度亏损增大,叶尖涡运动的轴向位移减小。叶尖涡诱导效应与风轮旋转的相互作用使风轮附近形成强速度梯度区域,诱导效应延伸到风轮上游,激励叶片产生不同的振动形态,使叶片上脱落的叶尖涡结构在尾迹中出现波动,越向下游运动波动越强烈。通过叶尖涡核位置平均发现,在10°～120°方位角尾迹区域内,涡核运动轨迹与方位面交点的连线近似为直线,且该线的斜率随着尖速比的增加而增大。     

基于SONAH的水平轴风力机风轮噪声源识别

将统计最优近场声全息(SONAH)技术运用于小型水平轴风力机风轮噪声源识别中,采用近场声全息技术以弥补远场波束形成技术对低频段声源识别精度低的缺点。利用BK公司的60通道圆形声阵列对运行中的水平轴风力机在不同工况下进行声场信息采集分析,分析了噪声总声功率级的分布特征以及噪声源位置的分布规律。分析结果表明:风轮旋转时,以200 Hz以下的旋转噪声为主导,噪声源能量最大区域主要集中在叶片中部(r/R=0.5附近),并随着频率的增大,声源沿旋转面径向方向由叶片中部逐渐向叶尖分散。     

基于面元法的水平轴风力机数值模拟

使用基于速度面元法的势流数值模拟方法,以NREL PhaseⅥ为例进行了叶片气动载荷和风轮近尾流场的数值模拟。将势流数值模拟、叶素动量理论和计算流体力学CFD方法的计算结果与实验数据进行了对比分析。结果表明使用速度面元法计算风轮绕流场具有较高的计算精度和求解效率,为大规模风力机群的流场计算和出力预报提供支撑。     

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.     

上风型水平轴风力机塔架干涉的数值模拟

本文对NRELPhase VI上风型风力机叶片和塔架之间的干涉流动进行了三维非定常数值模拟。所有计算算例均采用ICEM-CFD划分的六面体网格,文章模拟计算了包括有无塔架两个模型分别在7,10和20 m/s三个来流速度下的6个算例。模拟结果发现,扭矩在180°方位角附近有瞬时突变的过程,但该波动值相对于整体性能影响较小,同时发现随着风速提高,塔架干涉的影响存在一个滞后的现象。在叶片经过塔架时,引起的截面流场和载荷的变化规律,为流场的优化提供参考。     

变速变桨控制水平轴风力机桨距角优化

在高海拔地区,空气密度降低使风的能量密度降低。为了捕捉尽可能多的风能,一个方法是增大风轮的扫风面积,即增加叶片的长度;另一个方法则是对风力机的控制,尤其是对风及桨距角的变化进行调整。风力机叶片在设计时桨距角为0°,即在设计点,其功率系数C_P为最佳值。而在非设计点,0°桨距角下的CP则并非最佳值。本文针对传统变速变桨控制的水平风力机的桨距角进行优化,在额定风速前的每个风速下保证其C_P都是最佳值,以提高整体发电量。选取某款1.5 MW 42 m叶片进行对比计算,得到最优桨距角变化曲线,并用拟合得到桨距角变化曲线。并分别取3000 m和4000 m海拔高度处空气密度进行优化前后功率曲线及理论年发电量(AEP)的计算,结果显示,在额定前的CP提高最多,且海拔越高,空气密度越低,桨距角优化的效果越明显。本文仅考虑了气动方面效率的提高,该桨距角控制方式对于风机叶片极限载荷和疲劳载荷的影响还需要进一步探索。