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.     

大型风力机叶片三维建模及模态分析

对大型风力机叶片开展了三维建模和模态分析。先确定叶片几何参数,再将其翼型平面坐标转换为空间坐标,并通过Proe生成叶片三维几何模型。采用模态提取方法 Block Lanczos法对叶片进行模态分析,得出了叶片的前10阶模态,结果显示叶片的主要振动形式为挥舞和摆振,有较强的抗扭转能力,设计中应加强叶片的弯曲刚度。这为大型风力机叶片的设计和优化提供参考。     

风力机叶片结构参数敏感性分析及优化设计

以某1.5 MW风力机叶片为实例,建立叶片有限元模型,并对叶片关键结构参数进行敏感性分析。结果表明,铺层角度对叶片结构特性影响最大,主梁帽宽度及铺层厚度的影响次之,主梁帽铺层位置以及腹板布置位置的影响最小。在敏感性分析的基础上,建立以叶片质量最轻为目标函数,以主梁帽宽度、铺层数、铺层位置以及腹板布置位置为设计变量,以叶片的强度、刚度与振动性能为约束条件的优化设计数学模型,采用遗传算法与有限元法相结合的方法对叶片结构进行优化设计研究。与原设计方案相比,优化设计方案的叶片质量减轻9.8%,结构应变分布更为合理,且不会发生共振,表明优化方法合理有效。     

多兆瓦级风力机叶片的优化设计与动力学特性分析

考虑实际气流流动过程中周向速度的变化情况,即采用Schmitz理论来设计2 MW风力机叶片的气动外形.将计算得到的叶片翼型参数进行坐标变换,获得各个截面上叶素的三维坐标,利用三维建模软件建立叶片的三维实体模型,并将其导入至有限元分析软件中,进行模态特性和气动弹性分析.讨论了不同铺层厚度和铺层角度对叶片模态特性和气动弹性的影响规律.仿真结果显示:在铺层厚度为0.6mm和铺层角为60°时,叶片具有较好的模态特性;叶片所受的气动集中载荷随着叶片弦长几乎成线性增长,且在弦长最大时集中载荷最大;当铺层角等于44°时,叶片在气动载荷作用下的最大集中应力最小,具有最佳的气动弹性特性.     

风力机叶片与整机的预应力振动模态分析

为了研究10 kW水平轴风力机叶片及整机的振动情况,通过建立其模态分析计算模型和预应力模态分析计算模型的方法,对旋转叶片施加风载荷和旋转离心力,在完成网格划分、载荷与约束条件的添加后,进行了预应力下的振动模态分析,并将几种工况下的固有频率进行了对比并得出结论.结果表明：仅有风载荷工况时,叶片和整机的固有频率基本没有变化;当同时有风载荷和旋转离心力时,随着风速的增加,固有频率有比较明显的增加,但当风速达到一定程度时,不再发生变化.     

基于参数化建模的风力机叶片性能分析

针对现有850kW风力机叶片,分析其材料、结构及铺层状态,对比传统叶片有限元模型,将描述叶片主要结构的弦长、扭角采用分段函数形式表达,采用MATLAB编程并结合ANSYS二次开发建立风力机叶片参数化几何模型.基于动量-叶素理论的BLADED软件计算叶片各截面处的极限载荷,并于叶片分段施加载荷增量.动力学分析得到叶片前三阶挥舞和摆振频率及一阶扭转频率,其与实测固有频率比较,分析并验证叶片于共振区外运行.静力分析得到叶片挥舞位移及关键部位应力分布,通过最大应力准则和蔡-胡(Tsai-Wu)准则对翼面进行强度校核(其他部位同理校核),表明叶片在极限状态下仍能保持安全运行.该研究描绘了叶片主要力学性能,为叶片进一步优化奠定了基础.     

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6m/s到20 m/s的15个工...     

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。     

设计参数对直叶片垂直轴风力机功率系数的影响

基于多流管、双向多流管理论模型,利用MATLAB编程计算垂直轴风力机的功率系数并与实验值进行对比.研究表明:双向多流管理论模型更适合于垂直轴风力机的设计.以此为基础研究尖速比和实度对直叶片垂直轴风力机功率系数的影响,计算显示:尖速比增加,功率系数先增大后减小,近似成抛物线变化;实度增加,功率系数(效率)先增大后减小,最高效率位置向低尖速比区漂移,高效区范围变小.     

转轮叶栅参数对贯流式水轮机性能的影响

从理论上系统地介绍了贯流式水轮机转轮叶栅几何参数中栅叶稠密度，叶的相对扭角，转轮叶片数和叶片厚度对不轮机性能的影响，并结合在同一试验台上所做的四套贯流式转轮的能量特性试验成果进行了分析和比较，得出叶栅参数对水轮机性能的影响的规律，为以后开发低水头水力资源提供了转轮设计的依据。     

旋转对风力涡轮叶片边界层的影响

基于经典二维叶素理论的水平轴风力涡轮设计与性能预估方法,在高风速（高能量输出）工况下得到的功率输出值通常小于实测值,即存在三维失速延迟现象。通过分析旋转对风力涡轮叶片边界层的影响,揭示产生这种失速延迟现象的物理机理。并在相同的运行条件下,比较二维工况与三维旋转工况下边界层各关键参数的差别,从而得到由于旋转的影响,边界层中气流分离点位置延迟以及动力输出增加等重要结论。     

全尺寸叶片结构非线性对静载测试的影响

研究全尺寸叶片结构非线性对静载测试的影响,分析叶片应变、弯矩、刚度和挠度之间的关系,构建全尺寸叶片静载试验.通过三边法测试叶片的非线性变形及加载角度,在叶片截面上粘贴应变片监测局部应变.结果表明,与有限元目标值对比,在挥舞方向距离叶根4m附近的刚度最大相差48%;在摆振方向距离叶根23m至叶尖区域的刚度最大相差29%.通过实测结果修正有限元计算值,可为风机模型载荷计算提供精确刚度数据.     

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。     

风力机叶片设计方法的研究

研究了经典动量-叶素理论和修正后的动量-叶素理论两种风力机叶片设计方法并进行了比较,对修正的动量-叶素理论计算的参数进行拟合,以某型号风力机为例,运用Matlab编程功能,引用设计范围更广的风力机翼型专用软件XFOIL,研究表明:拟合前后的弦长和扭角差异主要在靠近叶根部分;修正的动量-叶素理论相对于经典动量-叶素理论计算的轴向诱导因子,主要区别在于叶根和叶尖部分,切向诱导因子的影响非常小。     

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.     

基于柔顺机构的风力机叶片变弯度前缘结构设计

为实现风力发电机叶片的自适应变形及结构轻量化,叶片前缘采用柔顺机构设计。以实际位移与目标位移差值及最大应力为约束,以材料用量最小为目标,采用变密度法对柔顺机构进行拓扑优化设计。以双程形状记忆合金丝作为驱动器驱动前缘柔顺机构自适应变形。研究结果验证了柔顺机构及拓扑优化结果的可靠性,为大型风力发电机叶片柔顺机构的设计提供了借鉴;同时也验证了双程形状记忆合金丝作为智能驱动器具有工程发展应用的前景。     

浅析风电叶片材料对叶片制造质量的使用风险

根据对构成风电叶片的4大关键材料(纤维、树脂、粘接剂、芯材)的设计参数和材料性能分析结果,进行关键材料在风电叶片制造使用过程中的风险评估,提出了这些材料质量控制的关键点。     

变风速下风力机叶片载荷特性研究

根据风力机的气动理论,并考虑风切变和风力机结构、几何参数的影响,建立了风力机叶片的气动载荷计算模型。以基本风速、渐变风速、阵风风速和脉动风速4种风速类型建立了变风速模型,并应用于叶片载荷计算模型,实现变风速下的叶片气动载荷的计算。以某MW级风力机为对象,给出了数值计算流程并进行了实例计算,结果显示:风力机叶片的气动载荷主要分布在叶片的中段和叶尖,且载荷大小随风速起伏变化,叶根的气动载荷随风速变化的趋势不明显,风速较大时,叶片上的载荷波动较为显著。结果可为叶片的结构设计和动力学分析提供参考。