大型风电机组叶片不同方位角下载荷智能控制效果分析

本文基于自主搭建的带有柔性尾缘襟翼(DTEF)控制的气动伺服弹性耦合仿真计算平台,首先从整体上论证了DTEF对降低风机叶片疲劳载荷的有效性,得到不同风速下风机叶片的叶根挥舞力矩按方位角的分布特性,在此基础上分析了DTEF能够降低叶片疲劳载荷的作用机理。最终得到结论:基于DTEF的智能叶片控制在不影响电机功率输出量的前提下可以有效降低叶片的疲劳载荷,减小电机输出功率、推力、桨距角的波动;不同轮毂高风速下DTEF的作用效果按方位角的分布规律不同;从参数的方位角分布规律分析出智能叶片控制机理,即DTEF引入破坏了原有叶片的气弹耦合特性,减弱叶片承受气动力,从而有效降低了叶片疲劳载荷。本文工作为未来明确智能叶片流动控制机理和优化载荷控制提供参考。     

可调导叶向心涡轮转子叶片压力波动激励机制

论文以实际应用中出现破裂的向心涡轮为研究对象,研究导流叶片尾缘激波、导流叶片叶尖间隙泄漏流动以及导流叶片尾迹对转子叶片表面压力波动的干涉作用,定性确定这三种因素在转子叶片表面压力波动中所占比重大小,发现激波和导流叶片叶尖间隙泄漏流动所诱导的转子叶片压力波动位置。结果表明,激波和导流叶片叶尖间隙泄漏流动是导致转子叶片表面压力波动的主要因素;受向心涡轮叶轮进口形状的影响,激波只是和转子叶片前缘附近的吸力面发生作用,导流叶片开度减小,激波强度增大,转子叶片压力波动幅值明显增大;导流叶片叶尖和叶根间隙泄漏流动会导致转子叶片吸力面叶尖和叶根的压力波动明显增大,是转子叶片前缘叶尖发生高周疲劳的主要原因.     

极端风剪切风况下的风电叶片载荷智能控制流动机理研究EI北大核心CSCD

本文以UpWind/NREL 5 MW为参考风力机,外部风况为IEC标准的极端风剪切(EWS),在自主开发的基于柔性尾缘襟翼(DTEF)的"智能叶片"整机气动伺服弹性仿真平台的基础上,研究了基于DTEF智能叶片系统在EWS情况下叶根所受极限载荷的变化情况,并同时分析了其对塔架,传动机构及变桨机构的影响。结果表明:采用该基于柔性尾缘襟翼的智能叶片系统不仅有效地减少了叶根所受极限载荷,同时对塔架,传动机构及变桨机构等受到的极限载荷都发挥了非常积极的作用。最后,详细分析了该控制系统背后的流动控制机理。结果表明:尾缘襟翼的主动作用有效地减弱了由于极端风剪切引起的叶片与流动之间较强的流固耦合作用。     

极端风剪切风况下的风电叶片载荷智能控制流动机理研究

本文以UpWind/NREL 5 MW为参考风力机,外部风况为IEC标准的极端风剪切(EWS),在自主开发的基于柔性尾缘襟翼(DTEF)的"智能叶片"整机气动伺服弹性仿真平台的基础上,研究了基于DTEF智能叶片系统在EWS情况下叶根所受极限载荷的变化情况,并同时分析了其对塔架,传动机构及变桨机构的影响。结果表明:采用该基于柔性尾缘襟翼的智能叶片系统不仅有效地减少了叶根所受极限载荷,同时对塔架,传动机构及变桨机构等受到的极限载荷都发挥了非常积极的作用。最后,详细分析了该控制系统背后的流动控制机理。结果表明:尾缘襟翼的主动作用有效地减弱了由于极端风剪切引起的叶片与流动之间较强的流固耦合作用。     

V型叶尖对风力机振动特性影响的实验研究

为了找到不同几何参数V型叶尖结构对风力机振动特性的影响,利用PULSE18.0结构振动分析系统结合瞬态激振法,选取振动频率范围0～400 Hz和特定激励点,获得叶轮的固有频率;在低速风洞中,通过三向振动加速度传感器测定额定风速12 m/s时不同转速所对应的振动加速度,并分析改型前后叶轮前二阶振动频率。结果表明:改变叶尖形状减小其质量后获得的V-1型叶尖叶片和V-2型叶尖叶片其固有频率均比未改型叶片要高;改型后的叶片先于未改型叶片脱离共振带,其中V-2型叶尖叶片最早脱离共振带,这对于叶片避免共振和叶片叶尖外形的设计有一定的借鉴意义。     

2.5兆瓦风力机气动性能数值模拟研究

采用商用软件FINE_(TM)/Turbo,对2.5 MW变速恒频型风力机DF90风轮进行三维定常数值模拟研究.在计算功率与设计值很好符合的基础上,分析了风轮的三维绕流细节,讨论了叶尖速比和来流风速对叶片载荷的影响。结果显示:相同叶尖速比条件下流动近似;来流迎角随叶尖速比减小而增大,根部分离提前;运行风速范围内流动分离仅发生在叶根附近较小的范围内,大部分叶展范围的绕流具有良好的二维性。     

柔性尾缘襟翼参数影响及流动机理研究

本文选取U_(hub)=8 m/s和U_(hub)=16 m/s两种典型风况,在自主开发的柔性尾缘襟翼(DTEF)智能叶片整机气动伺服弹性仿真平台的基础上,首先详细探讨了襟翼具体参数变化对控制系统降载效果的影响。最后,选取了一组典型参数,并在此基础上探讨了两种风况下降载背后的流动控制机理。通过参数分析发现:不同风况下,襟翼位置变化对控制效果的影响略有变化;通过机理分析发现:尾缘襟翼控制有效的原因在于其减弱了流体与叶片之间的流固耦合作用。     

基于遥测技术的风力机叶片动态应变特征实验研究

采用旋转机械应力应变无线遥测技术,在直流式低速风洞开口段对风力机叶片运行状态中的应力应变特性进行了实验研究,结果表明:在相同尖速比下,叶片各截面沿展向向外位置增加应变值逐渐减小,随着风速的增加,压力面的应变值增加幅度大于吸力面,叶根处应变增加幅度大于叶尖,并在0.55R到0.75R段应变拟合曲线略微凸起,主要是气动力在该截面区作用的效果;在相同风速下,叶片各截面沿展向向外位置增加应变值逐渐减小,且各截面的应变值随着尖速比的增加而增大,叶根较叶尖增加幅值更明显,叶根部位所受离心力增加较快;相同翼面处前缘点的应变值大于后缘点的应变值。为开展大型风力发电机组叶片动态应变检测积累了可鉴借的经验。     

航空发动机旋转叶片振动监测系统研究

介绍了叶尖定时测量旋转叶片的原理，设计的光纤柬式传感结合光电接收实现了高精度的弱光检测。基于“5＋2”传感器均布方案，利用双速率对叶片振动信号进行采样，通过“5＋2”处理算法实现了振动频率的准确辨识，并在某航空设备上进行了高速模拟转子实验，实验表明测得频率与应变仪结果一致。     

叶根开槽对高速常规负荷压气机叶栅性能影响

采用基于螺旋度修正的SA模型数值研究了叶根开槽控制NACA65-K48高速常规负荷叶栅三维角区分离流动的效果。对比了原型叶栅及叶根开设有单槽道、双槽道叶栅的性能。研究表明,叶根开槽在较大的攻角范围内均有效降低了损失,改善了叶栅性能。槽道出口射流具有"自适应"性,其速度略大于当地主流速度,对低能流体具有很好的向下游携带作用。当槽道出口位于吸力面分离区之前时,槽道出口射流可有效推后分离区,减小分离区所占据的展向高度,增大了叶中无分离区的大小,改善了叶中流通能力。单槽道方案槽道出口射流的作用范围有限,引入第二个槽道可起到"接力"的效果。     

负载力矩对管路涡轮内流影响的数值预测

为考察管路液力涡轮的水力特性,采用修正k-ε模型对四种负载力矩条件下的管路液力涡轮进行全流道三维湍流数值模拟.分析了管路涡轮叶片表面、叶片间流道和转轮后部的尾流流动,讨论了输出转速以及涡轮水力效率的变化特性及其与内部流动特征的关系,并与试验结果进行了比较.结果表明,设计额定负载下涡轮叶片表面压力梯度分布合理,转轮内流动及尾流流态较好,水力效率最高,高负载条件下转轮内出现较大的叶尖涡和尾流分离涡,水力效率也很低.     

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。     

离心压缩机级内静叶时序效应的数值研究

本文采用三维粘性非定常数值模拟的方法研究了离心压缩机级内静叶的clocking(时序)效应,研究结果表明,当两级静叶相对周向位置改变时最大效率变化为0.175%.另外,通过对非定常计算叶根,叶中和叶尖处流场图的分析,发现非定常环境下上游周期性尾迹对下游叶片边界层、尾迹以及叶尖泄漏流的相互作用.     

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。     

轴流压气机转子内流数值模拟及叶顶间隙泄漏分析

本文数值求解N—S方程和Euler方程对比分析单转子轴流压气机内部流场、计算较好地预测了压气机的平均流场及叶尖泄漏涡的生成演化过程。为分析泄漏流动的成因，本文采用简化模型计算泄漏速度。计算与实验结果的时比表明，泄漏流动是无私流动，粘性主要表现为对涡的衰减；泄漏流动由叶片两侧的转了静压控制，粘性在叶片两侧作用持平；给定叶片两侧的转子静压即可由Bernoulli方程求出泄漏速度。     

叶尖小翼对扩压叶栅气动特性影响的数值研究

通过在叶片顶端加装小翼来降低叶顶二次流的叶尖小翼技术在叶轮机械领域受到关注。本文对具有不同叶尖小翼方案的压气机叶栅进行了全三维数值模拟,并详细分析了叶尖小翼对叶顶间隙流场的影响.结果表明,合理选择叶尖小翼的安装位置及自身宽度可以在一定程度上降低叶顶泄漏损失,在叶顶吸力面侧加装宽度为5 mm的小翼可以较好的削弱泄漏流动的强度,减少泄漏涡卷吸起更多的吸力面/端壁角区的低能流体及较早地阻止上通道涡的形成和发展。     

并联复用光纤法-珀加速度传感器及解调方法的研究

提出了一种基于菲佐干涉仪的并联复用光纤法-珀加速度传感器的解调原理及系统,其中光纤法-珀加速度传感器是基于惯性质量引起法-珀腔腔长变化实现加速度传感的原理。针对此并联复用系统,建立了菲佐干涉仪的相对输出光强与光纤法-珀加速度传感器的法-珀腔腔长和菲佐干涉仪的厚度之间的关系模型,进一步建立了基于菲佐干涉仪的光纤法-珀加速度传感器系统的加速度传感理论模型。在此基础上对菲佐干涉仪解调并联复用光纤法-珀加速度传感器信号的原理进行了数值仿真,并对基于菲佐干涉仪解调的多通道光纤法-珀加速度传感器并联复用能力进行了分析。研究结果表明,数值仿真结果和理论分析相吻合,菲佐干涉仪解调多通道光纤法-珀加速度传感器并联复用系统具有可行性。     

根部开槽对叶栅三维角区分离的控制研究

三维角区分离是压气机静子叶栅中固有的流动结构,对压气机性能有着重要的影响。本文对一PVD叶栅和一NACA65叶栅,在分析其通道内流动机理的基础上,提出了在叶片根部从压力面向吸力面开槽的控制角区分离的方法。数值研究了槽道出口位置对PVD叶栅性能及角区分离的控制作用,发现在保持槽道其他参数不变的情况下,存在一最优位置使得叶栅攻角特性最优;结合计算及实验测量的方法,验证了NACA65叶栅中叶根开槽控制角区分离的有效性。两个叶栅研究结果表明:叶根开槽可有效控制角区分离,减小叶栅损失,增大叶栅扩压能力,拓宽叶栅可用攻角范围。     

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。     

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.