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.     

实度与转动惯量对垂直轴风力机性能的耦合影响

当垂直轴风力机结构参数变化时,其实度和转动惯量均随之变化,进而耦合影响风力机性能。为此,以200W垂直轴风力机为研究对象,提出含转动惯量的CFD动态仿真模型,基于湍流模型实验确定使用RNGk-ε湍流模型,分别对不同叶片数、风机半径、叶片弦长的垂直轴风力机进行仿真,通过垂直轴风力机启动时间判断其启动性能,采用运行时的最大风能利用率判断效率。研究结果表明:小转动惯量有助于减少风力机启动时间,提高启动性能;少叶片数、大半径、大叶片弦长有助于提高风力机稳定时的最大风能利用率,而风能利用率与实度、转动惯量没有明显关系。     

涡流发生器布置位置对小型垂直轴风力机气动性能的影响

为提高垂直轴风力机的气动性能,针对小型双叶片H型垂直轴风力机,提出3种涡流发生器在叶片表面安装位置方案。建立风力机整机仿真模型并进行了网格独立性验证。利用ANYSY FLUENT软件对垂直轴风力机进行三维流体力学仿真研究。研究结果表明:在上风区叶片内表面和下风区叶片外表面加装涡流发生器均可提高叶片的转矩系数,但分析流场显示下风区流场紊乱,下风区叶片外表面加装涡流发生器提升效果变差。3种方案中,叶片内外表面加装涡流发生器时垂直轴风力机风能利用率C_P提升效果最好,与原型风力机相比C_P提升6.4%。     

新型随动变桨距小型垂直轴风力机的流场分析

建立三叶片二维静态计算模型对新型随动变桨距小型垂直轴风力机进行数值计算,对比分析4种静态模型下压力场和速度场的分布情况,计算结果显示:理想状态下的新型随动变桨距小型垂直轴风力机,当流场稳定以后叶片处于各个位置的最大压力变化不大,风力机转动到各个位置的最大风速大致相等,表明此新型风力机在转动的过程中叶片产生的最大压力、速度相对稳定,这对其保持匀速转动很有帮助,并且对风力机整体结构所产生的颤振也相对较小。     

倒圆锥形风力机

最近,英国科学家研制成一种倒圆锥形风力机。与普通水平轴和垂直轴风力机相比,它的显著优点是,制造方便,价格便宜。该风力机的结构形状如下图所示。两只叶片的下端直接固定在风力机的叶轮上,另用两根支撑拉线使叶片保持倒圆锥状。这种独特安装方式使固定风力机的塔架高度大大降低。当叶片长度为20米时,固定塔架也只要3—4米高就够了。     

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.     

叶片失速延迟控制垂直轴风力机气动性能

以麦克马斯特大学H型垂直轴风力机为基础,在叶片上加设射流管,设计一种叶片失速延迟控制垂直轴风力机。基于CFD方法计算典型工况下叶片失速延迟控制垂直轴风力机的功率,分析风场的涡强和风速分布特性。研究结果表明:在相同几何尺寸和工况下叶片失速延迟控制风力机的风能利用系数比麦克马斯特大学H型垂直轴风力机的高,在尖速比为1.3时,最大风能利用系数达到0.33。在叶片上加设射流管对于延迟层流分离具有显著作用。     

动态失速下H型垂直轴风力机实时变桨控制规律

针对垂直轴风力机风能利用率低、自启动能力弱的问题,以1 kW H型垂直轴风力机为研究对象,通过对比美国Sandia国家实验室动态失速下测得的风力机实验结果与风洞静态实验结果,分析动态失速对桨距角调节的影响规律;以风轮的最大切向力为目标,得到垂直轴风力机在上风区和下风区的最佳理论攻角分别为14.8°和-14.8°。为使风轮在旋转过程中维持在最佳攻角附近,基于双致动盘多流管理论进行Matlab编程计算,建立风轮工作状态下的受力模型,获得垂直轴风力机在各个方位的桨距角。通过对0°和180°方位角下的桨距角进行修正,给出垂直轴风力机1周变桨距规律。最后,利用双致动盘多流管理论对提出的变桨控制规律进行理论验证。研究结果表明:利用该变桨距规律得到的风能利用率可以由34.6%提高到42.8%。     

风力机组关键部件运动学与动力学仿真研究

以风力发电机组为研究对象,采用动量叶素理论计算叶片在不同风速下的气动载荷,在三维软件Solidworks中建立了叶片、轮毂、机舱和塔架等关键功能部件的三维模型,在Ansys中对叶片和塔架进行柔性化处理,生成叶片和塔架的MNF文件,建立了风力机组关键功能部件的ADAMS刚柔耦合多体系统动力学模型.将计算的载荷均匀加载到风力机组的叶片上,对风力机在风速由5 m/s变化到25 m/s的过程进行仿真,得到叶片和塔架的振动变形特性曲线.该仿真能够很好地模拟风力机的振动变形特性,为风力机的虚拟样机仿真提供了一种可行的方法.     

导叶对涡轮型垂直轴风力机气动性能的影响

针对传统垂直轴风力机效率低的缺陷,阐述带导叶垂直轴风力机的结构优势,并分析导叶对涡轮型垂直轴风力机的作用。应用计算流体力学理论,在设计风速12 m／s下,采用滑移网格技术及 k-ε 模型对有、无导叶两种涡轮型垂直轴风力机的气动性能进行比较。研究表明,导叶可以有效降低由于来流对逆风区叶片吸力面的直接冲击而造成的阻力扭矩,也会负面影响顺风区叶片的性能,但其负作用效果远不及在逆风区挡流降阻的正作用效果,故加导叶后风轮的性能会有很大提高。带弧线形导叶涡轮型垂直轴风力机最大风能利用系数可达0.24,具有工作范围广、最佳尖速比大的特点。     

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。     

兆瓦级垂直轴风力发电机组仿生塔架性能分析

为避免兆瓦级风力发电机组风激共振破坏问题,采用流体控制方程建立了兆瓦级垂直轴风力发电机组仿生塔架流场模型,模仿棕榈树树干直径随高度变化的规律,分3段建立仿生塔架,对兆瓦级垂直轴风力发电机组塔架进行了流固耦合数值分析。结果表明,仿生塔架与同类项普通塔架相比,兆瓦级垂直轴风力发电机组仿生塔架变形虽然稍有增大,但能满足风机塔架的变形设计要求,其最大应力下降了3 MPa,1阶固有频率避开了共振的频率范围,材料用量减小了10%,减轻了塔架的质量。     

叶片尾缘喷气的垂直轴风力机气动性能研究

风力机叶片是使风能转化为机械能的原动机构,是风力机的重要部件．风力机风能利用系数的高低主要取决于其叶片的做功能力．针对直叶片垂直轴风力机使用的NACA0022翼型,在翼型尾缘处开1 mm宽的窄缝,沿弦线方向喷气,以期改变流场进而提高风力机风能利用系数．利用Fluent软件采用k-ωSST湍流模型和SIMPLE算法,运用滑移网格技术,对风力机进行数值计算．得到采用尾缘喷气叶片的风力机的风能利用系数增大,而且处于高风能利用系数的尖速比范围更宽;在尖速比为2．06时其风能利用系数最高,其值为22．4％,此时的风能利用系数较基本型时提高了15．5％．叶片尾缘喷气提高风机性能的物理机制是尾缘喷气的扰动向上游传递改变了大攻角情况下叶片的表面压力系数．     

叶尖结构变化对风力机噪声源分布特性的影响

为探究由水平轴风力机叶尖结构变化所造成的风力机噪声源分布特性的规律,利用圆盘声阵列系统对不同叶尖结构风力机采用近场声全息技术和远场波束形成技术进行噪声源识别.采集得到运行中的水平轴风力机在额定工况下的噪声信号,分析了噪声源声压级变化情况以及风力机噪声声源位置的分布规律.结果 表明:叶尖结构变化可以有效降低风力机的气动噪声,改变了风力机叶尖噪声的强度和产生位置,在一定程度上降低了叶尖噪声.通过对风力机叶尖结构的优化设计可以在不损害风力机气动性能的同时,实现较好的降噪效果.     

风电机组塔筒结构绕流风场的数值模拟研究

为研究风电机组塔筒结构的气动力特性,基于ANSYS软件,建立了塔筒结构的简化模型并对其进行绕流风场的数值模拟分析,主要探讨了塔筒结构表面风压分布特征,风场风速、湍流度及不同高度比对塔筒表面风压分布的影响.结果显示,圆锥塔筒结构背风面在绕流作用下沿高度方向由上向下形成连续几个回流区,导致背风面受到正压作用;不同风速只有对塔筒背风表面压力大小有较之明显影响,而对塔筒迎风面及侧风面压力大小影响很小;湍流强度对模型表面风压系数大小有不同程度的影响,随着湍流强度的增加,模型侧面(大部区域)、背风表面的压力绝对值相应减小;不同高度比对模型表面风压分布有显著影响.研究结论可为风力发电机塔筒结构的设计提供参考.     

风电机组叶片流固耦合的数值模拟方法

 以某5 MW 风电机组叶片模型为对象,研究一种适用于风电机组叶片流固耦合数值模拟的风轮旋转模拟方法。以风切变形式模拟风轮旋转及来流风速的综合效应,对叶片各截面翼型的扭角进行修正,建立风电机组叶片的风轮旋转模拟模型,利用有限元法模拟风电机组叶片的风洞流场实验,仿真模拟旋转效应下风电机组叶片的周围气压、绕流分布、表面压力及结构位移,并进行数据交叉迭代求解,得到风电机组叶片的流固耦合结果。与额定风速均匀来流条件下的初始模型计算结果和文献实验结果进行对比分析,验证了风轮旋转模拟方法的可行性。     

链轮-行星传动风力机的设计与性能测试

对垂直轴阻力式风力机的模型机进行了结构设计与实验研究。采用链轮-行星传动装置控制桨叶的转动,使其在逆风过程中处于侧风状态。实验结果表明,该风力机的启动风速较低,并具有在较宽的风向角范围内输出功率稳定的特点。     

叶尖开孔对风力机流场的影响研究

以NREL Phase VI叶片的1/8缩比模型为研究对象,在叶片叶尖区域设计由前缘到叶尖端面的3个环形通气孔,改变叶尖流场分布.采用CFD的方法,通过转速变化分析叶尖表面的压力分布情况及其叶尖涡的发展过程,进而研究叶尖开孔对风力机叶尖涡的影响.研究结果表明:转速低于900 r/min时,叶尖开孔对叶片气动性能影响不大;而转速高于900 r/min时,叶尖开孔可降低涡核强度,加速叶尖涡耗散,提高叶片气动效率.从环形通气孔中喷射的气流对来流有明显的抑制作用,能够减小尾流区内的轴向速度.在加速叶尖涡的耗散和降低叶尖涡的强度方面,风力机叶尖处开孔在转速超过900 r/min以上时被视为一种比较有效的设计.     

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.     

升阻互补型垂直轴风轮的结构动态分析

为了避免风力发电机系统的共振而导致的系统损坏和噪音污染,并提高风力发电机叶片的耐用性与经济性,借助有限元计算方法,通过系统动态特性分析,得到了升阻互补型垂直轴风轮的动态特性及叶片的受力特性.结果显示,横梁是叶片支撑上容易出现危险的区域,其结构强度和抗疲劳度要求较高.在更换6根横梁的材料和尺寸之后,增加了其最大许用应力值,提高了风力发电机的安全系数,避免了风轮叶片支撑在低速旋转时频率游走于风轮第1,2阶固有频率之间的问题.升力型叶片受到近似于正弦函数的交变荷载,叶片表面主要受到拉应力的作用并且容易产生疲劳破坏.叶片在铺层时,增加0°纤维层的厚度可以使叶片抵抗更大的拉应力.