基于叶素动量理论的水平轴风力机叶片设计方法

针对叶素动量理论在实际运用中存在的问题,对叶素动量理论进行较系统的分析,认为其有两种计算模型.以模型Ⅰ为例,提出两种计算流程,建立以风轮运行风速范围内风能利用系数最大,以叶片弦长、叶尖速比为设计变量的优化设计模型,计算中考虑分段叶尖损失计算方法.针对8kW水平轴风力机叶片的计算表明,计算方法稳定、可行.根据设计要求,对叶片弦长、叶尖速比进行优化设计.通过计算获得叶片结构参数和叶片性能参数随叶片展向、风速的变化关系,同时获得风力机的最佳运行风速范围.计算结果可为风力机叶片设计和评估提供参考.     

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。     

泛函分析思想在新型风力机叶片设计中的应用

考虑法向力和切向力的叶尖损失,推导并给出了一种改进的风力机轴向和周向因子的计算模型。结合最新设计的高性能风力机专用翼型系列,利用泛函分析方法,研究了风力机叶片展向弦长及扭角分布的泛函表达方法,提出一种新的通用叶片形状的广义泛函方程;考虑实际风场风速的概率分布,空气密度及工业界对风力机叶片的气动与结构设计要求,分别以定速运行方式和变速运行方式下风力机叶轮年发电量输出最大化为目标,以叶片展向分布函数系数为设计变量,建立了2.3MW风力机叶片优化设计数学模型;优化得到2组性能优越的风力机叶片。新叶片的捕风效率和年发电量都远远高于传统风力机叶片,其中,所设计定速叶片最大功率系数达到0.515 7,变速叶片最大功率系数达到0.517 7。     

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.     

基于改进PSO的H型垂直轴风力机风轮优化设计

气动模型以双向多流管理论为基础,考虑风场的风速概率密度分布函数,以风力机发电机组的年平均输出功率最大为设计目标,采用改进的粒子群优化算法进行全局寻优搜索.利用开发的Matlab优化设计程序,在额定功率和额定风速一定时,针对特定风场优化设计H型垂直轴风力机风轮,得出风力机风轮的最佳匹配参数.与初步设计的风力机相比,优化后年平均输出功率增加了11.8%,且优化设计结果在气动性能方面有明显的优越性,说明该优化模型的实用性和有效性.     

基于性能相似的浮式风力机水池模型试验叶片设计方法研究

大型海上浮式风力机在Froude相似环境下进行模型试验时,模型叶片因尺度效应影响难以满足推力要求.以一款6MW海上浮式风力机为例,介绍了一种设计模型叶片方法以满足水池模型试验要求.在Matlab中,利用模式搜索法优化工具包,结合美国可再生能源实验室(NREL)的全耦合软件FAST,借助广义动态尾流(GDW)理论重新设计了一款模型叶片,并对所设计的叶片进行了数值计算和CFD计算.计算结果能满足模型试验多种工况的推力要求,表明了该方法的可行性.     

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.     

并网风力机中基于变桨距角的神经网络控制方法

针对并网风力机的运行特性,在其传动系统和发电机的动态模型基础上设计控制器.当外界风速较大,提出采用基于神经网络的风力机叶片桨距角控制器抑制多余的风能进入发电系统,维持风力发电机馈送到电网的功率稳定;当风速较低时,风力机转速需要跟随风速变化,调整叶片桨距角处于捕捉最大风能位置处,保证风力机的风能转换效率最优,提高其运行效率.仿真结果验证了该控制方法的有效性.     

新型多立柱张力腿式浮动风力机概念模型试验研究

近海深水区域蕴藏着丰富的高品质风能,海上浮动风力机是目前开发深水风能最具潜力的新装备.首先分析了开展海上浮动风力机水池模型试验时需要考虑的相似准则,并根据其受力情况综合选取了合适的相似准则.采用基于风轮推力相似而优化设计的模型叶片建立了一套风力机模型,有效解决浮式风力机模型试验中的"尺度效应"问题.本文对所提出的新型多立柱张力腿式浮动风力机概念(WindStar Tension Leg Platform System,WindStar TLP System)进行了水池模型试验研究,模型试验缩尺比为150.试验中测定了其空气动力、水动力和结构动力特性,得到了其在不同环境条件下的运动响应和总体性能.模型试验结果可为该新型多立柱张力腿式浮动风力机概念的进一步研究提供参考依据.     

基于参数建模的风力机预弯叶片结构优化设计

风力机预弯叶片的弯曲型线和铺层结构设计之间存在着耦合关系.为了实现叶片预弯型线和铺层结构的一体化设计,提出一种预弯型线和铺层结构的参数化表达方法,并通过实例验证了叶片有限元参数化建模分析方法的正确性;构建了预弯叶片弯曲型线和铺层结构的一体化优化设计模型,采用粒子群算法,以叶片的质量最小为优化目标,在满足材料强度、叶尖最大变形、振动频率的约束条件下,对某低风速850k W非预弯叶片进行预弯及铺层层数优化设计.优化结果显示,优化叶片在满足设计约束的条件下重量减少了15.26%,验证了文中提出的预弯叶片弯曲型线及铺层结构协同优化设计方法的正确性.     

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.     

大型风力机叶片阻尼层厚度分析与抑颤研究

为增强大型风力机叶片抑颤效果,从增加叶片的结构阻尼角度出发,以8 MW风力机叶片为研究对象,通过铺层设计和阻尼层位置设计为建立阻尼叶片有限元模型提供基础.分别以SHELL181单元和SOLID185单元模拟叶片上下蒙皮和阻尼层,对无阻尼叶片和阻尼叶片两种模型进行模态分析,探究阻尼层厚度变化对原叶片整体质量、固有频率及结构损耗因子的影响.确定8 MW风力机阻尼叶片阻尼层最佳敷设厚度,最后在最佳阻尼层厚度基础上对比分析两种叶片抑颤效果.结合结构损耗因子发现阻尼层厚度并非越大越好,经敷设最佳阻尼层厚度,原叶片可在质量增加极少的情况下提高抑颤能力.     

风力发电结构有限元建模及其地震响应分析

为研究不同精细程度的风力发电结构有限元模型在不同分析目的下的适用性,基于2MW三桨叶水平轴风力发电机,采用有限元软件ANSYS建立七种不同精细程度的风力发电结构有限元模型,以风力发电结构地震响应分析为例,得到各模型的响应结果,分别从变形、内力、应力以及应力集中四个方面分析各个模型的计算结果.研究结果表明:在计算风力发电结构的变形时,由于上部机舱及叶片对其影响较小,采用低阶单元即可得到较好的模拟结果;在计算塔底截面剪力和截面弯矩时,考虑机舱及叶片的有限元模型得到的结果较为精确,单元选择时需采用高阶实体单元;不考虑叶片、轮毂以及机舱得到的塔筒截面应力离散性较大,采用壳单元可较好地模拟塔筒截面应力;叶片、机舱等上部结构对门洞局部产生的应力集中影响较大,在计算时建议应用塔筒采用壳单元、门洞局部采用实体单元的多尺度模型进行模拟.     

基于物理机制的风力发电高塔系统风场模拟

为了准确确定作用于桨叶和塔体的风荷载,研究了基于物理机制的风力发电高塔系统风场模拟问题.依据随机过程的随机函数描述,提出了基于物理机制的旋转Fourier互谱,有效地考虑了桨叶旋转效应和桨叶上不同点风速之间的相关性.然后,对旋转Fourier谱(随机Fourier谱)作逆Fourier变换,实现了桨叶(塔体)的风场模拟.最后,结合典型的1.25 MW三桨叶变桨距风力发电高塔系统,进行了纵向风速场数值仿真研究.算例表明,该算法可以准确地模拟给定风环境的风力发电高塔系统脉动风速时程.     

气动力和离心力载荷对风力机叶片结构特性影响

采用雷诺平均NS方程和标准k-ε湍流模型,在不同风速和转速下对某风力机叶片基于Workbench进行了单向流固耦合数值模拟,分别分析了气动力载荷和离心力载荷对风力机叶片功率及风力机叶片结构特性的影响。结果表明:相对于气动力载荷,风力机叶片离心力载荷对风力机叶片结构特性的影响较大。     

风力发电结构在风沙荷载激励下的动力响应分析

为研究风沙荷载对风力发电结构的危害,对风力发电结构进行风沙荷载作用下的动力响应分析.基于某2 MW风力发电机,建立不考虑风机叶片、考虑叶片旋转以及考虑土-结构相互作用的三种有限元模型.采用Dav-enport风速谱和谐波叠加法模拟脉动风速时程,利用动量守恒定律和风沙流密度建立风沙荷载力学计算模型.通过ANSYS分别模拟...     

MW级复合材料风电叶片的振动特性与应力分布

针对目前风电叶片有限元模型存在铺层不合理的问题,以某1.5 MW风电叶片为研究对象,利用Solidworks软件生成叶片三维模型;再将其导入大型有限元软件Abaqus中,按照叶片铺层理论进行分区域铺层,生成叶片有限元模型,使其更接近叶片的真实铺层状况;在有限元数值计算中,分析了叶片的振动特性以及在50 m/s的极限风速下的应力分布特征.结果表明,叶片模型在模态、强度、刚度三个方面均满足设计要求,叶片的危险截面位于距叶尖约13处,应力主要分布于叶片展向的13~23处,且主要承载结构为主梁和腹板.     

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%。     

风力机设计及其空气动力学问题

针风力机设计中的复杂多变量、多目标和多约束优化问题,提出一种基于Pareto理论的风力机多目标设计框架,并以1．5Mw大型风力机叶片设计为例,讨论了风力机多目标一体化设计的基本特点．然后由此引出风力机设计中至关重要的气动计算方法和非定常气动力建模面临的挑战,概述了风力机空气动力学的复杂性,介绍了在风力机空气动力学计算方法和气动建模方面取得的进展和存在的问题．