风电机组叶片模型变桨距载荷实验

以1.5MW变桨距风电机组叶片为原型,设计并制作叶片模型,分析叶片载荷特性,并通过电测法对叶片模型变桨距载荷进行测试分析.结果表明,在风速为4m/s时叶片拉应力随桨距角增大而增大的趋势,但不明显;随着风速的增大,叶片拉应力随桨距角的增大而减小,趋势明显.剪应力载荷随桨距角增大而呈现一致减小的趋势,各个截面变化规律相同.     

变风速条件下风力发电机输入载荷及其影响因素分析

建立了基于自回归(AR)方法的风场风速模型,求解得到了风速的变化时程;用Glauert方法求得了变风速下风力发电机的输入载荷——推力和扭矩随风速的变化时程;通过对载荷的统计分析得到了风力发电机的设计载荷谱和载荷雨流计数直方图;分析了变风速下风轮叶片主要参数对风力发电机输入载荷的影响规律:推力和扭矩载荷的均值随桨距角变化的响应明显,并随桨距角的增大而变小;推力的波动幅值随桨距角的增大先是增大然后减小,而扭矩的波动幅值则随桨距角的增大而单调减小;推力随叶片扭转角和攻角的变化响应明显而扭矩随扭转角和攻角变化的响应不明显。     

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.     

额定工况下桨距角对5MW风力机叶片动力特性的影响

以NREL 5 MW风力机为研究对象,基于UG完成了叶片建模,利用ANSYS Workbench计算额定工况下叶片在不同桨距角下的位移和应力响应,分别采用Fourier函数和Gaussian函数对不同桨距角下的最大位移和应力进行拟合。结果表明:最大位移峰值随桨距角的增大呈现先减小后增大的趋势,最大位移发生在叶尖;不同桨距角下应力峰值均出现在叶片中部和叶根;叶片沿翼展方向的后缘位移和应力均随着桨距角的增加而有所增加;拟合曲线准确地描述了叶片最大位移和最大应力随桨距角的变化规律。结果可为风力机安全运行提供重要指导。     

H型垂直轴风力机远场尾流特性研究

基于非定常CFD数值模拟方法,采用FLUENT软件对H型垂直轴风力机的流场进行模拟,并分析尖速比和叶片数对远场尾流特性的影响规律。结果表明:风轮在运转过程中的空气流动近似于圆柱绕流,绕流和旋转对尾流两侧风速具有增大作用,增大的风速不断汇入到尾流中,有助于尾流风速恢复;随着尖速比的增大或叶片数的增多,远场尾流形成卡门涡街,尾流风速呈周期性上下波动分布;在风电场中风力机组的排布应根据不同的尾流特性,采取不同的布置方案。     

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.     

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。     

叶片进口几何形状对核主泵空化流动特性的影响

为研究叶片进口几何形状对核主泵水力性能以及空化性能的影响,基于连续性方程、雷诺时均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,对4种不同叶片进口几何形状的核主泵模型泵进行全流场空化模拟,得出不同叶片进口几何形状对核主泵外特性以及空化性能的影响规律.结果表明:叶片进口边减薄,使叶片进口对流体的排挤作用减弱,改善了叶片对进口流动条件改变的适应性,减小了叶片进口处的流动损失,提高了效率.另外,增大叶片进口边圆角,进口减薄程度加剧,使进口处过流断面面积增大,流速降低,进而导致压力增大,且低压区逐渐向叶片出口移动,在发生空化时,气泡对叶片进口相对流动角影响逐渐变小.同时,随着叶片进口减薄程度的加剧,叶片进口更加接近流线型,液体绕流叶片头部时产生冲击减小,使叶片吸力面前盖板处最低压力有所增大.     

螺旋式S型风轮气动性能试验研究

为了克服传统S型风轮扭矩波动大的缺点,提出了一种偏转180°螺旋式S型风轮,在低速风洞进行风洞气动性能试验.风轮的旋转直径420mm、高度680mm、偏心距100mm,测量了风轮在风速5m/s不同相位角对应的静扭矩以及风速10m/s不同负载下的转速与扭矩.通过对实验数据分析得出:螺旋式S型风轮始终产生促使转动的正的扭矩,叶尖损失造成静扭矩不随相位角恒定分布,但是静扭矩波动较小;风轮转速波动幅度随着尖速比的增大而减小,扭矩波动幅度随着尖速比的增大而减小;风轮扭矩系数是尖速比的一次函数且随着尖速比增大而减小,功率系数是尖速比的二次函数且截距为零,功率系数随着尖速比增大先增大后减小.     

矩形潮流能水轮机性能研究

为了有效地利用潮流能,设计了一种适合于中低流速、容易实现大型化的新型潮流能发电转换装置——矩形潮流能水轮机.基于矩形水轮机的设计,采用数值模拟的方法,分析了密实度、叶片安装摆角、流速等参数对水轮机性能的影响,并对叶片间流场扰动进行了研究.结果表明:叶片数(密实度)和叶片安装方式对矩形水轮机的获能特性和推力特性产生较大影响,通过调节叶片数和安装摆角可以改善水轮机的能量利用效率;来流是影响矩形水轮机工作性能的外在因素,在叶片数和安装摆角确定的情况下,来流不仅可以改变矩形水轮机的工作速比区间,而且还直接影响着矩形水轮机的功率、推力特性;叶片在迎流面和背流面体现出不同的水动力特性,叶片在背流侧的能量捕获能力明显低于在迎流侧的,迎流侧叶片对流场的扰动是一种负面效应.     

斜流中泵喷推进器流场变化规律数值分析

基于SST(剪切应力输运)k-ω湍流模型与滑移网格技术,对不同进速系数(J=0.95,1.18,1.58)及不同斜流角(β=0°,10°,20°)下泵喷推进器流场变化规律进行了数值分析.利用P4119桨进行了数值方法验证,并进行网格无关性验证.为保证计算结果的准确性,采用全通道模型及全结构网格进行数值计算.计算结果表明:随着斜流角的增大,横向力和垂向力出现明显波动,不同斜流角间的波动幅度相对一致,且随着斜流角的增大而减小;随着进速系数及斜流角的变化,压力系数在转子导边、随边处出现明显波动差异,定子叶片压力系数波动比较稳定.     

串列风力机尾流场的实验研究

为了合理的布置风力机,尽量减小风力机尾流的影响,提高风电场的效率,同时为大型风力机的尾流场研究提供参考依据.利用轴流式风机提供来流风速,使用压差式精密风速仪和手持风速仪对两台串列风力机的尾流场进行实验研究,获得尾流区域的速度场、压力场及诱导速度场的分布规律.结果表明,上风向风力机的尾流对下风向风力机的功率有很大的影响,随着串列间距的增大,影响逐渐减小.对于无下风向风力机时,在同一测量断面处的风速随着半径的增大而逐渐减小.而在不同测量断面处,随着测量间距的增大,速度也逐渐减小.对于有下风向风力机时,在同一测量断面处的风速随着测量半径的增大先增大后逐渐减小.对于不同测量断面,随着测量间距和串列间距的增大,在同一角度的速度的变化趋势逐渐减缓.通过尾流的诱导速度曲线可以发现,在同一测量断面处的诱导速度随测量半径的增大呈下降趋势.而对于不同截面,同一角度的诱导速度曲线会相互交叉.     

Gurney襟翼对叶片流场影响的数值模拟

为了验证添加Gurney襟翼的一种风力机叶片在各种风速下的实际增升效果,用计算流体力学的方法计算NREL Phase VI风力机叶片以及加Gurney襟翼(3%的翼型弦长)后叶片的流场,比较不同来流风速下叶片表面的压强分布与流速分布.计算结果表明,加Gurney襟翼后叶片压力面的压力有所增加,吸力面压力降低,且各面压力分布趋于均匀,压力面和吸力面的压力差显著增大,提高了风力机叶片的升力.     

变桨距风力机分段控制策略

大型风力机在实际运行中受风速、风向的变化影响很大。针对定速变桨型风力机分析其偏航与桨距调节控制策略,提出"桨距分段控制"新的控制策略,即根据不同的来流风速设计执行相对应的桨距控制策略。并通过LabVIEW软件设计1.5 MW的风力发电机测试与控制系统,实现提出的新控制策略。结果表明:分段控制策略能够快速地对来流风速的变化作出反应,提高了控制精度和系统的稳定性。     

起伏地形对风场风速的影响

风流经山地区域时,起伏地形会显著改变风速的大小.研究起伏地形对风速的影响,对合理布置风力机具有重要意义.采用数值模拟和实验研究的方法,对一个山脊和两个山脊两种模型对来流风速的影响进行研究.结果表明:来流经过单独山脊2时,山脊底部的风速相对于来流明显减小,山脊顶部风速明显增大,最大风速出现在山脊背风面高于山顶的地方.山脊1使山脊2背风面来流方向风速减小,山脊顶部的来流方向风速增大.在山脊背风面靠近山顶的地方适合布置风力机.     

低风速风力发电机组造价与度电成本分析

为了提高低风速条件下风力发电机组的经济效益,提出了一种通过合理设计叶片来降低机组度电成本的方法。以相同功率等级、不同叶片长度的3种风力发电机组作为研究对象,在不同风力条件下分别计算各机组的年发电量,利用经验公式对各机组的总成本进行估计。结果表明:机组的度电成本随着平均风速的升高而降低。在平均风速较高的地区,长叶片机组在度电成本上的优势并不明显。而在平均风速较低的地区,机组的年发电量随着叶片的加长而明显增加;尽管总成本有所升高,但度电成本依然得以降低。通过适当减小叶片的最佳叶尖速比、增大风能利用系数也可以降低度电成本。该文还论述了通过合理选择叶片长度、优化翼型以及应用新材料来提高机组经济效益的可行性。     

深凹露天矿采场内流场分布规律的试验与数值模拟

运用现场测试和数值模拟相结合的方法,对深凹露天矿采场内的流场分布规律进行研究.以首钢水厂铁矿为试验矿山,在5个现场试验点观测不同垂直高度的风向、风速.现场测试结果表明,当风速为1~2m/s时,西南和东北方向的来流风进入采场内均形成复环流结构;当风速达到47m/s及更大时,5个测点风向与来流风向相同,未观测到采场内形成复环流结构.同时基于Gambit技术建立矿体的几何模型,应用流体力学Fluent软件对该深凹露天矿在不同风速条件下的流场分布进行数值模拟.模拟结果表明,随着风速的增加,矿区内复环流中心的位置逐渐升高,范围宽度和中心厚度也逐渐增大.数值模拟结果与现场测试结果相似.     

四斜叶桨搅拌槽内部流场PIV试验研究

针对搅拌槽内非牛顿流体混合不均匀问题,基于无接触式粒子图像测速技术(PIV)研究了四斜叶桨带挡板搅拌槽内非牛顿流体流场流动状况.PIV试验采用透明的黄原胶溶液作为非牛顿流体.试验结果表明:搅拌转速的变化不仅改变流场的流型,也改变流场的流速分布、湍动能分布及涡量分布的位置和大小;随着搅拌转速的减小,主循环流和反向小循环流的涡心向上偏移,同时在向上偏移过程中,涡型逐渐减小,电机驱动功率也随着搅拌转速的减小而减小;黄原胶溶液质量分数的增大影响了流场的主循环流的流动范围,使搅拌桨下部区域的流动强度明显减小,同时也导致了整个流场流速降低和流体流动传递距离减小,故高搅拌转速是非常有必要的.     

气象观测塔架周围风场水平风速畸变规律的定量分析

采用FLUENT软件,对位于中国巴丹吉林沙漠边缘高度为50 m的气象观测塔,定量模拟了处于水平来流流向风速作用下,塔架周围流场的畸变规律.定量模拟结果显示:流向风速在塔架背风区域的畸变与已有野外测量和风洞实验结果良好吻合,证实了本文定量模拟结果的可靠性.在此基础上给出了流向风速在塔架迎风区域的畸变规律,指出流向风速在塔架迎风区附近的亏损率随塔架方位θ基本服从高斯分布,且无论水平来流流向风速多大和距塔架表面多近,在方位角θ=±55°附近均可基本忽略塔架对来流风速的影响.揭示展向的塔架诱导风速随离塔架表面距离和方位以及水平来流流向风速变化的规律,发现塔架的诱导风速会随着水平来流流向风速的增大而增大,其最大值在展向可达到来流流向风速的15%左右.     

复杂山地环境下脉动风速谱研究

进行了8种坡度下单个三维山体的模型风洞试验,讨论了山体各位置脉动风速谱的变化规律,以及坡度对脉动风速谱的影响.结果表明:背风面山脚0.8h高度以下位置,脉动风速功率谱与来流风速谱相比,功率谱峰值明显增大,峰值频率向高频移动,单峰特征明显,频带变窄.除此以外的背风面其他位置、迎风面以及山顶位置的脉动风速功率谱与来流风速谱基本一致.提出了山体背风面脉动风速能量由来流湍流能量和山体尾流涡旋能量构成的思想,将来流脉动风速谱与涡旋谱进行分离,并根据试验数据拟合,提出了保守的涡旋谱的计算公式.根据不同坡度山体的试验,得出了0.5为涡旋产生与否的临界坡度.