风力机气动噪声测量分析

针对风力机气动调幅噪声,提出了一种新的测量和分析方法。在风力机前部左右45°位置测量调幅噪声。对测量数据高通滤波后,求取瞬时d BC值;傅里叶变换后得到调幅噪声幅值和叶片通过频率。采用此方法对1.5 MW风力机气动噪声进行测量分析,发现风机气动调幅噪声与来流风速和湍流有很强的关联。新方法有助于建立风力发电机组的气动噪声测量标准,以更好的控制风力机的调幅噪声。     

基于BLADED软件的大型风力机叶片气动分析

基于BLADED软件,根据德国GL2003国际标准,对应用于GL3A风场的某款1.50 MW大型风力机叶片的气动额定功率、风能利用系数、疲劳载荷、极限载荷等进行分析。研究结果表明:在与某款1.65 MW风力发电机组匹配时,该叶片在风速为11.0 m/s时的额定功率能达到1.65 MW;在叶尖速比为7.8～11.4时,其风能利用系数均在0.460以上,在叶尖速比为9.5时,其最大风能利用系数可达0.486,表明该叶片具有较好的气动性能和较宽的风速适应范围;其叶根等效疲劳载荷为2.107 7 MN.m,叶根极限挥舞载荷为4.614 6 MN.m,均比该叶片载荷的原设计值小,说明其应用是安全的。     

风力机塔架-叶片耦合模型风致响应时域分析

基于风力机塔架-叶片耦合模型,采用改进的叶素-动量理论模拟了考虑平稳风修正、叶片旋转效应和空间相干性的风力机气动载荷,并基于有限元方法对该耦合模型进行了动力特性分析和风致响应时域计算.基于目标响应时程探讨了风力机塔架-叶片耦合系统在随机风荷载作用下的动力响应特性,并与不考虑叶片影响的风力机塔架风致响应进行对比分析.研究表明,在进行风力机的抗风设计时,应该考虑塔架-叶片的耦合作用.     

风力机叶片翼型气动特性数值模拟

为研究风力机转子叶片的翼型特征,通过Fluent软件对改进的NACA类风力机转子叶片翼型的绕流流动气动特性参数进行数值模拟分析.结果表明:对于改进的NACA类转子叶片,翼型特征的优化保留了叶片高升力,进一步降低了阻力,在多攻角范围内均获得了较好的升力系数和升阻比.当攻角较小时,叶片绕流流动即呈现较小的分离涡,随着攻角的上升,叶片正负压强差进一步增大,表面压力系数特征规律趋于稳定,尾部涡进一步扩大,表现出强烈的分离流动特性.翼型的优化设计可以直接提高风力机转子叶片的气动特征,进而提高风力机的工作性能.     

下游塔架对水平轴风力机叶片气动负荷的作用

为了研究水平轴风力机叶轮与下游塔架之间的动静干涉作用,并将二者的相互作用简化为二维翼型与后置圆柱之间的气动干涉,通过数值模拟的方法分析了在翼型尾缘下游不同位置处放置的圆柱对叶片载荷的影响.研究结果表明,下游塔架对叶片载荷的影响主要与塔架直径和二者的相对位置有关.当叶片掠过圆柱塔架时,翼型上下表面的流速分布产生了明显的改变,进而造成气动载荷发生显著的变化,其变化幅度可以达到定常计算情况下的50%.该工作对风力机叶片的周期气动力疲劳寿命的评估提供了参考.     

变风速下风力机叶片载荷特性研究

根据风力机的气动理论,并考虑风切变和风力机结构、几何参数的影响,建立了风力机叶片的气动载荷计算模型。以基本风速、渐变风速、阵风风速和脉动风速4种风速类型建立了变风速模型,并应用于叶片载荷计算模型,实现变风速下的叶片气动载荷的计算。以某MW级风力机为对象,给出了数值计算流程并进行了实例计算,结果显示:风力机叶片的气动载荷主要分布在叶片的中段和叶尖,且载荷大小随风速起伏变化,叶根的气动载荷随风速变化的趋势不明显,风速较大时,叶片上的载荷波动较为显著。结果可为叶片的结构设计和动力学分析提供参考。     

导流型垂直轴风力机气动特性的数值研究

分析了传统垂直轴风力机效率低的原因,并数值研究了带有导叶的导流型垂直轴风力机的气动性能.研究结果表明,导叶不仅可以有效地降低因来流对动叶轮吸力面的直接冲击而造成的阻力扭矩,而且还有助于改善来流对动叶轮压力面的有效冲击,这些均使该风力机动叶轮的旋转扭矩得到显著增加.因此,导流型垂直轴风力机可以有效克服传统垂直轴风力机性能上的缺陷,有望提高其风能利用效率.     

风力机叶片极限载荷评价与分析

根据德国GL2010国际标准,运用Bladed软件,对某一850kW的风力机叶片和与之相匹配的风力机发电机组进行建模,并分析其气动额定功率、系统共振等情况,验证叶片运行中的可靠性。分别施加GL标准中的所有工况,对叶片进行仿真计算和比较分析,得到影响叶片气动性能主要是Dlc4.2b、Dlc1.3a等工况,初步建立以叶根载荷为标准的风力机叶片评价体系。此评价体系同样适用于Bladed软件自带的demo叶片模型。以该评价体系为基础,计算850kW叶片叶根处的极限载荷,得到其挥舞极限载荷为353 663N·m,比原设计值小了2.5%,进而验证该叶片在运行中安全可靠,同时,验证了载荷评价体系的可靠性。     

双叉式叶尖结构对风力机气动噪声的影响

为降低风力机的气动噪声,提出一种用于小型风力机的双叉式叶尖结构改型设计方案,在风洞实验室开展了风力机外特性测试与气动噪声试验.试验结果表明:双叉式叶尖结构在3～9m/s的低风速段和中风速段能提高风力机的输出功率;双叉式叶尖结构可降低风力机风轮旋转基频所对应的最大声压级与叶尖涡脱落频率所对应的声压级.由此可知双叉式叶尖结...     

振动噪声和气动噪声统一分析方法的理论研究

首先对振动声学和气动声学理论进行了关联性分析,证明了振动声辐射的积分方程是FW-H方程的一种特殊形式,表明声比拟理论不仅适用于气动噪声的预测,而且同样适用于振动噪声的预测,是分析噪声产生机理的普适化理论。然后利用FW-H方程计算了球脉动和振动辐射噪声的声压级,计算结果和采用振动声学理论分析得到的结果完全一致。在此基础上,对流固耦合噪声的预测方法进行了探讨分析。结果表明,流体和弹性薄壳体耦合作用激发的噪声仅取决于流体的运动速度和流固界面的作用力,而与壳体边界的振动速度无直接相关。     

大型风电长叶片气动外形的高效低载三维设计

海上风力机等大型风电设备叶片较长，所承受气动载荷较大，易产生变形，影响气动性能和运行稳定性。针对这一问题，以美国NREL实验室的5 MW大型风电叶片为例，对其进行以各截面翼型形线、安装角及额定功率下桨距角为设计变量的高效低载三维优化。优化基于动量叶素理论和多岛遗传算法，以叶根弯矩最低和风能利用率最大为优化目标，并将优化叶片与原始叶片于变桨、变风况下的气动性能进行对比。结果表明：在设计工况下，相较于原始叶片，优化叶片在保证高气动效率的同时叶根弯矩降低了5%；变风况条件下，变桨前优化叶片的风能利用率平均提升了1%，叶根弯矩平均降低了5.8%，变桨后优化叶片的叶根弯矩平均降低了4%。     

风电叶片疲劳共振加载方式参数分析及试验

为解决叶片疲劳加载方式中激振设备存在一部分功率消损及选型困难等问题,提出了一种新的直驱式疲劳加载方式,并通过拉格朗日方法分别建立了离心式、往复式以及直驱式共振加载方式的动力学模型,在分析了各加载方式中激振设备所需参数的基础上,建立了各加载方式设备功率之间的关系,并通过推导功率比值系数,得到各加载方式设备所需最大功率与叶...     

分级杉木风电叶片复合材料的制备与研究

以杉木为原料,通过杉木分级、优选制成杉木薄板层积材,利用INSTRON 5582万能力学试验机进行检测.试验结果表明:由一、二级分级杉木制成的风电叶片复合材料的物理力学性能均达到或超过目前国外风电叶片在用的常规木材/环氧层积材的特性,完全能够替代目前大量使用的玻璃钢叶片材料.     

Large-scale wind turbine blade design and aerodynamic analysis

Incorporating controlled elitism and dynamic distance crowding strategies, a modified NSGA-II algorithm based on a fast and genetic non-dominated sorting algorithm is developed with the aim of obtaining a novel multi-objective optimization design algorithm for wind turbine blades. As an example, a high-performance 1.5 MW wind turbine blade, taking maximum annual energy production and minimum blade mass as the optimization objectives, was designed. A 1/16-scale model of this blade was tested in a 12 m × 16 m wind tunnel and the experimental results validated the high performance. Moreover, both the computational fluid dynamics (CFD) method and a free-vortex method (FVM) were applied to calculating the aerodynamic performance, which was consistent with the experimental data. For completeness, the CFD and FVM were used to analyze the wake structure, and good and consistent results were obtained between them.     

风力机叶片结构参数敏感性分析及优化设计

以某1.5 MW风力机叶片为实例,建立叶片有限元模型,并对叶片关键结构参数进行敏感性分析。结果表明,铺层角度对叶片结构特性影响最大,主梁帽宽度及铺层厚度的影响次之,主梁帽铺层位置以及腹板布置位置的影响最小。在敏感性分析的基础上,建立以叶片质量最轻为目标函数,以主梁帽宽度、铺层数、铺层位置以及腹板布置位置为设计变量,以叶片的强度、刚度与振动性能为约束条件的优化设计数学模型,采用遗传算法与有限元法相结合的方法对叶片结构进行优化设计研究。与原设计方案相比,优化设计方案的叶片质量减轻9.8%,结构应变分布更为合理,且不会发生共振,表明优化方法合理有效。     

一种低空急流对水平轴风力机气动性能的影响

以一台1.5 MW变桨变速型三叶片风力机为研究对象,探讨了三种入流条件下水平轴风力机气动性能的异同,着重研究了一种典型低空急流对水平轴风力机气动性能的影响.结果表明:低空急流下风轮的功率和推力比均匀流和剪切流的大;低空急流下叶片表面压力总体大于其他两种流动,急流衰减内的翼型截面在吸力面中段存在一个比剪切更加显著的压力突降区;叶片各截面的法向力系数和切向力系数整体大于其他两种流动;低空急流下各截面的攻角比剪切流的大0.05%~36.66%,叶片表面的失速区尤其是叶根附近的失速区相对其他两种流动更大,分离线向前缘靠近,急流衰减内的翼型截面分离涡现象更加明显;对不同特征低空急流下水平轴风力机气动性能影响的研究将在未来的工作中进行.     

复合材料风电叶片结构强度非线性分析

以100 kW风电叶片为对象,建立了叶片复合材料结构非线性三维有限元模型.依据德国船级社GL规范的要求,在叶片有限元模型上分别施加4个方向极限载荷,分析了叶片应变和安全因子分布,同时对比分析了叶片线性和非线性屈曲稳定性.结果表明:在挥舞载荷下,较大的展向应变主要分布在叶片根部圆柱段与最大弦长之间的过渡段和叶片中部区域,叶片的第1阶线性和非线性屈曲均发生在靠近叶片尖部梁帽位置,采用非线性分析方法比线性方法更加保守;在摆振载荷下,叶片较大的展向应变主要分布在叶片中部尾缘区域,屈曲分别发生在叶片最大弦长截面的前缘和尾缘位置,采用线性分析方法比非线性方法更加保守.在4个方向的极限载荷条件下,叶片第1阶特征值屈曲载荷因子均大于非线性屈曲载荷因子.     

旋转作用下水平轴风力机气动性能分析

为研究水平轴风力机在大气边界层近地面非定常来流作用下气动耦合特性,建立基于剪切应力传输(SST)湍流模型的计算流体力学(CFD)模型和静力结构模型。为模拟风轮在近地面的气动状态,通过单向流固耦合方法对流场均匀入流风速和旋转效应作用下不同工况进行数值耦合计算,求解风力机流场中的速度场、压力场、结构响应状态以及输出功率,分析对比流场不同方向风力机周围速度变化、表面压力分布、结构应力应变规律、整体变形情况和功率变化。结果表明：在均匀来流和旋转共同作用下,流速和压力主要沿风轮径向变化,沿叶片展向至叶尖速度逐渐增大;整机结构附近有明显的气流扰动变化;停机工况和旋转工况(考虑旋转效应)塔影效应干扰下叶片变形在上下风区波动较大;入流风速大小对风力机输出功率有显著影响。     

竹龄对生物质风电叶片复合材料性能的影响

利用动态热机械分析仪检测3～7 a竹龄毛竹的常温存储模量值,用于确定最佳的风电叶片复合材料增强相,再按不同竹龄将毛竹制成竹青层积材,利用INSTRON 5582万能力学试验机对竹青层积材分别进行检测.试验结果表明,随着毛竹竹龄的增加,毛竹竹青试件的常温存储模量值也相应增加,即在常温条件下,毛竹竹青的刚性随毛竹竹龄的增加...