基于片条理论和遗传算法的风力机叶片全局优化设计

针对水平轴风力机叶片Wilson优化设计法的不足,以片条理论为基础、全年发电量为目标函数对叶片进行全局优化设计。通过遗传算法对设计约束进行最优化搜索,并根据该方法设计在平均风速为7.5 m/s风场下工作的1.5 MW叶片。为保证功率计算的准确性,通过XFOIL和CFD软件计算翼型0o~360o攻角下气动性能,将其设计结果与Wilson法进行比较。研究结果表明:全局优化设计方法能够满足叶片设计要求,设计的叶片在低于额定风速的低风速区性能良好,在平均风速附近(7~9 m/s)的功率系数达0.44。     

双叉式叶尖结构对风力机流场特性影响的数值模拟

以波音737MAX机翼的双叉式叶尖结构为风力机叶尖改型设计思路,设计出双叉式叶尖结构风力机,利用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)进行数值计算.结果 表明:双叉式叶尖结构风力机叶片压力差、叶尖线速度小于未改型风力机叶片,但上叉与下叉压力差总和大于未改型风力机叶片,增大了双叉式叶尖结构风力机总输出功率,主要影响因素为叶尖开叉角度.通过风洞实验验证了数值模拟的合理性,实验和数值模拟表明双叉式叶尖结构风力机尾迹轴向速度损失小于未改型风力机.     

一种基于lightGBM框架改进的GBDT风力发电机叶片开裂预测方法

风力发电机叶片开裂直接影响风力发电机运行,采用梯度提升决策树算法与基于lightGBM框架改进的梯度提升决策树算法对风力发电机叶片开裂进行预测。对比分析了预测准确度与可行性。基于lightGBM改进的梯度提升决策树算法分析的风力发电机运行数据得出的预测结果优于梯度提升决策树算法,且对于风力发电机叶片开裂预测准确度较高,并具有实用价值。同时该算法能够大幅降低样本中的无效数据,减少计算量。其独立特征合并能够使得划分点特征数量降低,提高风力发电机叶片开裂预测的准确性。最后,风力发电机叶片开裂预测实验结果表明,基于lightGBM改进的梯度提升决策树算法取得了更好的预测结果,计算量更小且能够准确预测风力发电机叶片开裂故障。     

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...     

不同倾斜角叶尖小翼水平轴风力机气动性能

为研究不同倾斜角的叶尖小翼对叶片气动性能的影响,设计了5种不同倾斜角的叶尖小翼,并采用结构化网格技术与CFD数值计算方法对比分析其气动性能。研究结果表明:与原始风力机相比,5种不同小翼对风力机输出功率及风能利用率均明显提升,最大输出功率增长16.73%,风能利用率增长4.41%;倾斜角较大的叶尖小翼能更多地增大叶片的上、下翼面压差,且翼根弯矩更小;大倾斜角小翼能明显改善叶尖绕流,打散叶尖拽拖强涡量,降低叶尖能耗损失。     

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%。     

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.     

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。     

双叉式叶尖结构对风力机气动噪声的影响

为降低风力机的气动噪声,提出一种用于小型风力机的双叉式叶尖结构改型设计方案,在风洞实验室开展了风力机外特性测试与气动噪声试验.试验结果表明:双叉式叶尖结构在3～9m/s的低风速段和中风速段能提高风力机的输出功率;双叉式叶尖结构可降低风力机风轮旋转基频所对应的最大声压级与叶尖涡脱落频率所对应的声压级.由此可知双叉式叶尖结构能有效降低风力机的气动噪声,其中叶尖夹角为90°的双叉式叶尖结构降噪性能最优.     

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。     

基于PSO算法的定速风电机组三质块传动系统模型参数辨识

为获得传动系统模型的准确参数,提出阵风激励下三质块传动系统模型的参数辨识方法。根据定速风电机组机械动态与电气动态解耦的特性,提出在辨识传动系统模型参数时可忽略电气动态,据此获得定速风电机组的简化模型。采用轨迹灵敏度方法,分析了传动系统各参数的可辨识性及辨识的难易程度。基于粒子群优化算法(PSO)对传动系统模型进行了参数辨识。辨识结果与轨迹灵敏度分析结论一致,验证了提出的参数辨识方法的可行性。     

基于机器视觉的风力机叶片损伤检测系统

针对风力机叶片表面出现的磨损等早期损伤特征现象,传统损伤检测方法存在高成本低效率等问题,设计了一种基于机器视觉和图像处理相结合的风力机叶片损伤检测系统。通过搭建机器视觉实验平台完成风力机损伤叶片图像采集和处理,通过使用HSV进行颜色平面提取,卷积运算、高亮显示操作滤波,选用自动阈值分割方法中最小均匀性度量法进行阈值分割处理,最后通过数学形态学去噪处理,腐蚀、膨胀、开运算等操作完成特征提取,设计了基于LabVIEW的风力机叶片智能图像识别系统,通过对图像处理后的损伤特征识别效果调试,完成性能测试。实验结果表明：基于该算法处理后的图像在设计的识别系统内准确识别率达到92.3%,并对裂纹损伤进行目标测量得到实际长度且绝对误差最大为3 mm。该系统满足叶片检损的要求,实现对风力机叶片表面裂纹、轮廓磨损等损伤的图像处理和识别,并对损伤处进行标记、计数和测量,实现无损探伤,为兆瓦级风力机叶片损伤检测提供方法借鉴和图像处理、系统设计的技术支持。     

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。     

Optimization Method for Turbine Airfoil Designing Using Genetic Algorithms, CFD and Parallel Computing

An optimization method to design turbine airfoils using a Genetic Algorithm (GA) design shell coupled directly with a viscous CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis code is proposed in this paper. The blade geometry is parameterized and the optimization method is used to search for a blade geometry that will minimize the loss in the turbine cascade passage. The viscous flow prediction code is verified by the experimental data of cascade, which is typical for a gas turbine rotor blade section. A comparative study of the blades designed by the optimization technique and the original one is presented     

基于特征提取和最优加权集成策略的风机叶片结冰故障检测

针对风机叶片结冰检测中现有集成方法不能充分发挥不同个体分类器优势的问题,提出了一种基于特征提取和最优加权集成学习的叶片结冰检测模型。首先,用堆叠降噪自动编码器提取结冰关联特征后,考虑不同单一分类器在二分类应用中的表现及其差异,选择随机森林、极限梯度提升树、轻量梯度提升机、K-近邻算法作为个体学习器,并用贝叶斯算法对其进行超参数优化。然后提出基于序列二次规划的最优加权集成策略对叶片状态进行判别。最后利用金风科技提供的15号和21号风机的历史数据进行了仿真实验,结果表明：所提出的检测模型与个体学习器及其他集成模型相比多项指标均有所提升,准确度达到了99.2%,在结冰检测方面具有一定的有效性。     

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.     

风力机扩散放大器的数值分析与风洞实验研究

用CFD技术并使用FLUENT软件，采用二维模型对无叶轮风力机扩散器内部压力场、速度场进行数值模拟和风洞实验．计算不同风速时的渐扩直壁型、渐缩渐扩直壁型、渐缩渐扩前后流线型共3个类型11种不同形式的扩散器动力放大的流量比增益特性，最小截面处流量增加比率；比较不同形状、不同参数扩散器动力放大特性．数值模拟的壁面函数，对应不同风速下用增强壁面处理后的流量比与应用标准壁面函数时的流量比普遍下降，且更接近于实验值．在风洞试验中，测试了渐扩直壁型、渐扩弧线型、渐缩渐扩直壁型、渐缩渐扩弧线型4个不同类型的扩散器．研究表明，数值模拟和测试结果误差为10％左右，说明数值模拟有着较好的可靠性和实用性；扩散放大器在最小截面处的流量比率增益68％，研究结果为有叶轮情况下风力机带扩散放大器的优化设计提供了重要的参考和分析预报．     

跨音速透平扭叶片的气动优化设计研究

以并行自适应差分进化算法为核心，耦合曲面造型方法以及计算流体动力学求解技术，发展了一种适用于叶轮机械三维气动优化设计的全局自动气动优化算法．利用该算法，以等熵效率最高为目标，在满足流量约束的条件下对跨音速扭叶片进行了气动优化设计．对优化结果的详细分析表明，最优叶栅的等熵效率比原始叶栅提高了1．1％，气动性能有显著的改善，算法具有良好的优化性能．在跨音速条件下，载荷分布对叶栅的气动性能有着巨大的影响，采用前加载设计可有效地减弱斜激波的强度，减少激波损失，提高流动效率．因此，通过优化叶栅型线来改变叶栅的载荷分布可有效地提高叶栅的气动性能。     

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．     

Parametric geometry representations for wind turbine blade shapes

Based on the Joukowsky transformation and Theodorsen method,a novel parametric function (shape function) for wind turbine airfoils has been developed.The airfoil design space and shape control equations also have been studied.Results of the analysis of a typical wind turbine airfoil are shown to illustrate the evaluation process and to demonstrate the rate of convergence of the geometric characteristics.The coordinates and aerodynamic performance of approximate airfoils is rapidly close to the baseline airfoil corresponding to increasing orders of polynomial.Comparison of the RFOIL prediction and experimental results for the baseline airfoil generally show good agreement.A universal method for three-dimensional blade integration-“ Shape function/Distribution function” is presented.By changing the parameters of shape function and distribution functions,a three dimensional blade can be designed and then transformed into the physical space in which the actual geometry is defined.Application of this method to a wind turbine blade is presented and the differences of power performance between the represented blade and original one are less than 0.5％.This method is particularly simple and convenient for bodies of streamline forms.