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。     

一种新型结构叶片对风力机气动性能的影响

针对风力机在旋转过程中产生的叶尖涡影响风力机本身以及下游风力机气动性能的问题,提出了一种控制叶尖涡的策略,以减小叶尖涡对风力机本身及下游风力机气动性能的影响.以PhaseⅥ叶片的1/8模型为原始模型,在叶尖处和轮毂处同时开洞,用管道将洞连接的模型称作新模型.采用数值模拟的方法对来流风速从6 m/s到20 m/s的15个工况下原始模型和新模型风力机进行了对比分析,结果表明:在低风速下原始模型和新模型气动性能几乎一样,即新模型对叶片气动性能影响很小,尾流扩散速度也相近;但随着来流风速的增大新模型对风力机气动性能的影响也随之增大,新模型风轮功率比原始模型风轮功率有明显提高,尾流在风轮旋转平面内扩散速度变快,在来流方向传播距离变短.新模型尾流可以减小对下游风力机的影响,提升了风电场风能的利用效率.     

分布式等角螺线型垂直轴风力机的设计及性能分析

提出一种新型鹦鹉螺等角螺线垂直轴阻力型风力机,基于流体动力学分析软件,通过建立三维模型,对其气动特性进行研究;依据空气动力学的知识,模拟风力机与空气之间的流-固耦合,分析风力机的风速分布以及风轮受力等.建立了风轮的数学模型,并根据仿真中得到的转矩、风力机转速等参数作为发电机的输入,使用矢量控制的方法,建立永磁法电机的数学控制模型,得到发电机的电流、电压、功率等输出特性曲线.与实测得到的实验数据进行验证对比,验证了仿真数据的准确性,证实了新型风力机的可行性,为风力机结构优化设计及其发展提供了借鉴和参考.     

1.5MW风力机叶片设计与气动性能分析

叶片是风力机中最关键的部件,其气动性能决定风力机的风能利用效率。本文通过Glauert法设计1.5 MW水平轴风力机叶片,并利用FLuENT中的k-ωSST湍流模型,采用周期性边界,对叶片进行气动性能进行数值模拟。分析叶片桨距角固定的风力机在不同来流时风轮的转矩和轴向推力。研究表明:风轮在额定工况下,输出功率1 602 kW,风能利用系数达到0.325,满足设计要求;风速大于12 m/s时,可通过适当降低转速来维持风力机输出功率。     

基于自由尾迹法小翼气动特性分析

基于(势流)涡方法开发了水平轴风力机叶片设计优化程序,采用自由尾迹模型对增加小翼后的叶片气动设计性能进行初步分析,研究了风力机设计工况下,小翼对气流涡位置及诱导速度分布等气动性能参数的影响,对比分析了增加小翼后功率输出情况。结果表明,增加小翼后风力机叶片在设计工况下功率系数有明显增加,可以考虑将叶尖小翼作为已安装风机功率提升的解决方案之一。     

基于γ-Re_θ转捩模型的垂直轴风力机气动特性研究

在两方程的剪切应力输运SST k-w全湍流模型中添加γ-Re_θ转捩模型,以某两叶片垂直轴风力机为研究对象,数值计算得到叶片表面压力的分布规律,并与文献中的实验结果进行了对比.在此基础上,分析和对比了添加转捩模型后,风轮的转矩和推力系数、叶片表面极限流线分布和叶片表面摩擦阻力系数的变化规律.结果表明:相比SST k-w全湍流模型,添加γ-Re_θ转捩模型后的四方程Transition SST转捩模型预测得到的风轮的转矩系数和推力系数的均方根分别下降了6.13%和0.55%;计算时考虑γ-Re_θ转捩模型能够预测垂直轴风力机叶片表面边界层的转捩现象和更详细地捕捉叶片表面复杂的流动特征.     

加速装置下风力机设计方法与性能研究

以叶素动量理论为基础,设计了传统3叶片式、加速装置3叶片式和加速装置4叶片式风力机3种构型,并获得3种风力机的气动和结构参数.提出了加速装置下风力机气动和结构参数设计方法.建立了3种构型风力机的空气动力学模型,计算得到其功率分布和年发电量分布.分析结果显示:在相同额定功率和年发电量的条件下,加速装置风力机风轮尺寸相对传统风力机减少了35％,风能利用系数提高1倍以上.得到了一种工作在加速装置下的高效风力机,为风力机的设计和开发提供了新思路和可靠的理论依据.     

水平轴风力机尾流场的特性分析

以100 W水平轴风力机为研究对象,当来流风速为12.5m/s时,建立数值计算模型和实验模型,通过模拟计算与实验测量,得到风轮旋转平面后不同间距断面处的速度和压强分布情况.将模拟值与实验值进行对比研究,结果表明:风轮下游3倍风轮直径处的实验值与模拟值拟合较好,随着风轮后轴向距离的增大,实验值与模拟值存在一定的差异.从速度云图可以看出,水平轴风力机的尾流场从风轮旋转平面产生,在叶片尾缘处脱落且逐渐膨胀,在来流风速的影响下逐渐向下游扩散,且轴向速度亏损值随着轴向距离的增大而逐渐减小,尾迹区域渐渐收缩,最终与大气来流逐渐融合.     

基于速度势面元法的风力机风轮三维气动性能预估

大型风力机风轮气动设计和性能分析需要更加准确、快速的预估方法。风力机风轮三维流场具有低Mach数、高Reynolds数的特点,该文把风轮流场简化为有势流场,将叶片表面和尾迹视为有势流场的边界,采用速度势方程作为流动控制方程,使用面元法进行求解,建立了风力机风轮三维气动性能数值计算的模型,并编制了计算程序。同时,还建立了适用于水平轴风力机的尾迹迭代求解方法,考虑了表面摩擦阻力对风轮转矩和推力的影响,提高了计算精度。与实验结果对比证明,该方法具有很好的计算准确性,为进一步研究常规运行工况下的风力机风轮气动性能,特别是大型变速变桨风力机气动性能提供了一个准确、快速的预估方法。     

风力机尾流场及相互作用的实验研究

运用压差式精密风速仪对风力机尾流场及相互作用进行测量研究。对于单台风力机,测量其后不同距离处的尾流场轴向速度;对于两台风力机,测量下游风力机(第二台风力机)后不同距离处的尾流场轴向速度,由于下游风力机置于上游风力机(第一台风力机)尾流场中,尾流在向下扩展的过程中相互叠加影响,使得下游风力机尾流场变化更复杂。试验结果表明:由于风轮旋转和来流衰减,使得单台风力机后尾迹区存在速度亏损,尾迹区速度亏损随着风轮下游轴向距离的增加逐渐减弱,且轴向速度和轴向诱导速度在水平方向上表现出较强的对称性。由于风轮旋转时叶尖涡脱落,在距测量中心较远处出现高速度区域。当下游风力机置于上游风力机尾流场时,下游风力机的尾迹区内速度亏损更严重,由于上游风力机尾流的不稳定延伸,尾流叠加,轴向速度和轴向诱导速度出现明显的波动现象,且随着两风力机距离及下游风力机后轴向距离的增加,上游风力机对下游风力机的影响逐渐减弱。     

不同风速下风力机叶片的振动特性研究

针对风力机叶片在正常工况下运行时受到周期性的气动力导致叶片发生振动,降低叶片使用寿命的情况,研究了风力机叶片在不同风速下的振动特性。选取不同风速条件下的5种工况 (风速范围为15~40 m/s),选用CFD方法对NREL PHASE VI叶片进行模拟计算,获取不同风速下的振型和振动位移曲线。结果表明：叶片的主要振型是挥舞和摆振,高阶叶片振型存在着弯曲和扭转组合的复杂变形;来流速度从15 m/s增大到40 m/s时,叶片吸力面的压力分布不均匀性不断提高,来流速度为40 m/s时最大压力差值约达到3 000 Pa;来流速度为15 m/s时振幅最小为0.525 4 mm,来流速度为40 m/s时振幅最大,为3.628 2 mm,约是最小振幅的6.9倍;5种工况的振动曲线均呈现衰减趋势,叶片趋于稳定振动;当来流风速越大时,由来流风所产生的气动力对叶片的作用力越大,叶片的振幅呈现增大的趋势。研究结果可为风力机设计提供参考。     

考虑气动弹性的风力机叶片分析

运用修正的叶素-动量理论和有限元方法,建立了一种全新的考虑气动弹性的风力机叶片性能分析方法.运用该方法,在多种风速工况下对某850 k W风力机叶片的性能进行了计算,结果表明:对于大功率风力机,在大风速大载荷工况下,气动弹性对风轮性能有明显的影响,使叶片偏离原设计值.该方法的运用对于叶片的气动设计、载荷计算和结构设计有实际指导意义.     

水平轴风力机尾流的现场实测及初步分析

针对一台33kW水平轴风力机,开展了尾流区速度的现场测量实验,得到了风力机尾流区1倍风轮直径断面上部分测点的速度分布,分析了尾流速度的时域和湍流谱特性.研究发现:尾流区1倍风轮直径处,轴向速度亏损较大,测点处的轴向速度亏损率在35.1%–54.17%.铅垂方向速度变化较小,水平方向速度较来流速度的水平分量略有增大,反映出了尾流的膨胀特征.测点处的湍流动能表现出一定的周期性变化规律,尾涡的通过频率与风轮的旋转频率相近.同时,测点处3个方向湍流速度分量的功率谱在低频段均表现出斜率为–1的特性.     

错列风力机尾流的实验研究

为了更好地研究水平轴风力机的尾流结构及其对下游风力机出力性能的影响,将两台风力机错列布置,使用压差式精密风速仪和手持风速仪对风力机的尾流场进行了测量.通过比较单风力机和两台错列布置风力机的速度、压力和诱导速度,分析了风力机之间的尾流干扰问题.结果表明,上游风力机的尾流会使下游风力机的来流风速小于设计风速.两台风力机尾流重叠区的湍流度增加,尾流干扰增强,随着测量间距的增大,轴向速度先减小后增大.下游风力机5倍风轮直径处,尾流场速度基本恢复到主流速度.     

基于遗传算法的风力机叶片气动外形抗台风优化设计

为了研究风力机叶片抗台风优化设计方法,分析了常规风力机叶片在设计工况下的风能利用系数及极端风况下的气动载荷沿展向的变化特征。并以此为根据,选取极限载荷指标变化显著的挥舞剪力和风能利用系数作为协调两种工况的综合优化目标,提出风力机叶片气动外形抗台风设计优化模型。基于遗传算法,并沿风力机叶片展向,通过使用不同加权系数策略,对某1.5 MW风力机叶片气动外形进行优化设计。研究结果表明,优化后的叶片在具有较高气动效率的基础上能够获得较好的降载效果。     

具有流线型凸包的风力发电机气动特性

以300 W水平轴风力机叶片为研究对象,设计流线型凸包结构,并应用于风轮模型,结合滑移网格技术,对比研究光滑型与流线凸包型风力发电机的绕流场特性以及气动载荷特性,分析了三维绕流场内速度、压力、流线等的变化规律,以及不同风速下风力机的阻力系数及其功率的时程变化规律,探讨了流线凸包型与光滑型风轮在不同风速下运行时绕流特性的差异。结果表明:流线型凸包对流场有较好的改善结果;当风速增大时有明显的减阻效果,最大减阻率为19.53%,但其波动量增加为1.51%;凸包型风轮输出功率明显高于光滑型风轮,但随着风速增加,功率增加率也逐渐减弱。研究结果对水平轴风力机非定常气动特性研究及应用具有重要意义和价值。     

水平轴风力机三维尾流场的实验研究

以100W水平轴风力机为研究对象,利用三维超声波风速仪在风轮下游进行尾迹流场的速度测量.采用超声波时差法,获得风轮下游的三维尾流场信息.实验结果表明:风轮下游尾迹区内的流动存在明显的三维特性.由于风轮旋转和来流衰减,使得风力机尾迹区轴向速度存在严重的亏损,且尾迹区轴向速度亏损随着风轮下游轴向距离的增大逐渐减弱.但由于风轮旋转时叶尖涡脱落,在距测量中心径向较远处出现高速度区域.径向速度和切向速度在3倍风轮直径截面处最大,随着轴向距离的增大逐渐减小,且径向速度和切向速度的波动频率随着径向距离的增大逐渐减小.尾流场的湍流强度在风轮旋转半径内高于半径外,随着轴向距离的增大,湍流度先增大后减小,在远尾流区与大气来流逐渐融合,且流动逐渐趋于稳定,在8倍风轮直径位置处适合布置下游风力机.     

风沙环境下水平轴风力机的转矩特性

在保证外场实验风力机风轮几何相似、运动相似的条件下,结合RNGk-ε湍流模型和DPM模型求解三维不可压缩雷诺平均N-S方程,对外场实验机组的缩比模型进行数值计算,采用虚拟风洞的方法研究了风沙环境下模型风轮的转矩特性,得到在某一风速时,模型风轮的转矩随沙尘颗粒粒径和体积分数变化的规律,并通过与洁净空气时风轮的转矩进行对比分析,研究风沙流对风力机输出转矩的影响规律.研究结果表明,风沙环境会引起风轮转矩的增加,风轮转矩随沙尘体积分数的增大先增大后减小,随沙尘颗粒直径的增大,先增大后减小,最后趋于平稳,沙尘颗粒直径对风轮转矩的影响存在一个敏感区域,沙尘体积分数越大,该敏感区域越大;风沙流对风力机叶片的流动状态影响较小,当绕翼型的流动为湍流流动时,沙尘颗粒的存在会加剧流动的紊乱性,当为层流流动时,沙尘颗粒对流动的扰动较小,反映出较好的跟随性.     

串列风力机三维尾流场的实验研究

为了提高风电场效率,减小上游风力机尾流对下游风力机的影响,风电场中风力机的布置形式尤为重要.利用轴流式风机提供来流风速,使用三维超声波风速仪获得两台100 W水平轴风力机在不同串列间距时的尾流场速度分布及尾迹流动扩散规律.结果表明:在同一测量断面上随着径向距离的增大,轴向速度先增大后减小;随着串列间距的增大,相同测量断面上轴向速度逐渐增大,径向速度的波动幅值和频率减小,切向速度波动幅值减小.当径向距离为2倍风轮半径时,尾流流场中切向速度的波动幅值相差不大;串列间距不变时,随着轴向距离的增大,轴向速度逐渐增大,且速度变化幅度逐渐趋于平缓,速度峰值也由风轮中心沿径向向外推移,径向速度和切向速度的波动幅值减小.上游风力机的存在使得尾流流场中径向速度和切向速度的波动幅值增大,同时使得下游风力机输出功率减小.风电场规划中应尽量避免风力机串列布置.     

打造最强风力机

正海上风力发电机组自出现以后,发展趋势体现为大型化。随着风力机的大型化,带来整机功率的提升。那么,风力机是没有最大,只有更大吗?风力机的效率究竟有没有上限呢?风力机的最大效率有多少?风能到电能的转换效率,因风力发电机(叶片)种类的不同而有很大差别。在风力机领域,相关的研究理论有许多种。其中,德国物理学家阿尔伯特·贝茨(Albert Betz)在1922~1925年发表了"贝茨理论",即动量理论,研究了经过风轮的风能有多少可以被转化为机械能。他首先假设在这个过程中没有能量损失,风都是理想气流,风轮能够吸收气流所有的能量。但是,如果风轮将风速降为0,后面的风就刮不过来了。因此,经过风轮的气流必须仍具有一定速度。也就是说,100%利用风能的风力机是不可能的。综合考虑,贝茨算出理想风轮的最大利用系数为0.593,即理论上最多只有59.3%的风能可以被风轮转化为机械能。实际上,在现实中根本不存在这样的"理想风力机",因此,风能利用系数也无法达到那么高的数值。除此之外,设计