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.     

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。     

大型风力机柔性叶片在运行工况下的内力分析

为了准确地模拟柔性叶片在运行工况下叶片危险截面的内力,进行叶片的强度与刚度分析,并考察叶片的振动对气动载荷与气弹响应的反馈,以美国可再生能源实验室(NREL)发布的5 MW近海风力机为研究对象,建立了包含气动模型和系统的动力响应模型两部分的柔性叶片非线性气动弹性力学模型。采用计算多体系统动力学理论,基于Roberson-Wittenburg建模方法,结合叶素动量理论,建立了柔性叶片的气弹耦合方程,实现了叶片的气弹耦合时域响应分析。算例计算了NREL的5 MW近海风力机在紊流风速作用下,叶片各截面的挥舞、摆振和扭转方向内力矩的时域响应。研究成果对于叶片强度与刚度校核与优化设计有重要的应用价值。     

偏航条件下大型风机的流固耦合分析

流固耦合条件下叶片变形和振动的分析对于大型叶片的安全至关重要。基于叶素动量理论和Euler-Bernoulli梁的有限元建立大型风机双向流固耦合数值模型,用偏航修正、叶尖轮毂的非定常叶素动量理论计算风力机的气动载荷;通过2结点12自由度空间梁单元作为结构动力分析的基本模型,结合两套理论建立可以快速分析风力机叶片流固耦合作用下的输出特性和振动特性。通过对NREL 5 MW大型风力机计算的对比和分析,验证了方法的可行性并得到在流固耦合作用下风力机输出特性曲线和叶片结构变形。证明在风力机叶轮工作状态叶片发生振动,而且在偏航情况下,叶轮的功率输出和推力输出产生周期性波动。     

基于BEM的风力机叶片形变及气动性能

为研究叶片形变对风力机气动性能的影响,提出基于叶素动量理论的叶片形变及气动性能研究方法,建立叶片在弹性形变下的形变量计算和气动载荷修正模型,通过改进的叶素动量理论与计算结构力学耦合迭代进行求解,并计算1 500 kW风力机叶片不同风速下的弹性形变量及对气动性能的影响。研究结果表明:所提算法可快速计算叶片弹性形变,用于叶片气动外形与结构设计的修正;可计算叶片等效攻角差值及其补偿角,用于优化风力发电机组变桨控制算法。     

小型H型垂直轴风力机变桨机构的优化设计与试验

为解决现有垂直轴风力机风能利用率较低的问题,以获得风轮最大切向力为目标,分别获得了风轮上风区和下风区叶片的最佳理论攻角为8°和-8°,计算出了叶片一周桨距角调节策略。在此基础上,采用随机方向法对双曲柄变桨机构进行了优化设计,得到了不同叶尖速比下变桨机构的参数组合。为验证垂直轴风轮变桨机构的合理性,以叶尖速比2为例,利用ADAMS软件对变桨机构模型进行了运动学特性仿真,并采用旋转测角法对叶片桨距角变化曲线进行了数据拟合,计算结果显示:实际桨距角变化曲线与理想变桨曲线的贴合程度较高。风洞试验进一步证明:所设计的变桨距垂直轴风力机具有更好的自启动性能,且在现有风速下比定桨距垂直轴风力机的发电效率至少提高了7.86%。     

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。     

5kW垂直轴风力机的气动性能分析

为了改善垂直轴风力机风轮流场的气动性能,分别利用双盘多流管模型及2维N-S方程的数值模拟方法对5kW垂直轴风力机的气动性能进行预测.两种方法得出的功率系数随叶尖速比变化相差不大,两种方法均可行.前者得出风轮上风区域和下风区域的流动阻滞效应随转子实度的增大而增强,且在下风区域表现的更为明显;后者得出在叶尖速比较低的情况下,风力机叶片周围有明显的涡脱落现象,在同一个叶尖速比下叶片转动到不同位置时风力机尾流速度场变化不大.     

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.     

涡轮钻具新型叶片型线研究及其计算机辅助设计

分析了液体在涡轮钻具叶片表面流动规律,得出高效率涡轮钻具叶片型线设计应该满足的必要条件.由此提出了一种满足条件的叶片型线模型,并根据叶片的几何关系给出了数学模型的求解方法,为提高现有涡轮钻具的工作效率提供了一种参考叶型.并应用Pro/E进行了三维特征建模,基于这种参数化的模型,直接和高级语言编写的应用程序接口,可实现自动修改实体特征.在此基础上,编制了涡轮钻具叶片设计软件,实现了涡轮钻具叶片的自动设计,提高了涡轮钻具的设计质量和设计效率.     

基于圆柱面的高负荷叶型设计方法研究

与平面相比,圆柱面能更好地近似涡轮通道内流体流动的路径.因在圆柱面上定义、修改叶型的需要,发展了一种新的三维叶型设计方法.同时探讨了不同于传统二维平面叶栅流场计算方法的三维曲面叶栅流场计算方法.设计与数值模拟结果表明,该方法能快速、高效、可靠地设计出理想的叶型.     

大型水平轴风力机叶片过渡段的断面造型

从叶片强度的观点出发,探讨大型水平轴风力机叶片过渡段平面轮廓及其断面的造型方法.通过数学解析方法建立过渡段的平面轮廓及断面由叶片轴颈的圆形到工作段的翼型根断面的确定方法,给出过渡段平面轮廓与其各断面周线的三维坐标.用该方法对一兆瓦机组叶片的过渡段进行造型.结果说明本文所提出的叶片过渡段平面轮廓与断面造型方法具有的特点是:断面过渡平滑,无应力集中断面;各过渡断面的轮廓线都有精确的空间坐标,为叶片模具制造提供准确的工艺数据.     

轴流式叶轮机械叶型的参数设计方法

提出了一种快速实用的叶轮机械叶片型线的设计方法．通过调整反映叶型中弧线和叶片厚度特征的１２个参数，即可生成光滑的叶型．各个参数对叶型的控制作用十分方便、灵活．实例说明文中所采用的双三阶多项式模型能够很好地对叶轮机械叶型进行模拟．该设计方法与粘性数据值计算技术相结合，可以可靠地设计出高性能的叶型，具有较高的工程应用前景     

叶片难抛光区域粗糙度对压气机性能的影响

研究压气机转子中叶片叶顶、叶根倒圆、下端壁这类难以自动抛光区域的表面粗糙度对转子气动性能的影响规律,旨在为叶片抛光加工表面粗糙度目标的制定提供指导.基于计算流体动力学(CFD)对跨音速转子rotor37进行气动计算,分析了98%阻塞流量工况不同转速下各部位表面粗糙度对转子的损失系数和出口总压的影响规律.结果表明,在设计转速下,叶片各部位的表面粗糙度增加均使转子损失增加,叶顶的表面粗糙度使出口总压升高,而叶根倒圆和下端壁表面粗糙度使出口总压降低;表面粗糙度15μm是一个转折点,大于15μm时表面粗糙度对气动性能的影响程度开始变大;下端壁表面粗糙度对性能的影响最大,在60%设计转速下,下端壁表面粗糙度使损失降低,但是在80%和100%设计转速下,则使损失增加.     

抛砂头叶片后倾角的计算

根据质点动力学原理,对抛砂头旋转叶片上型砂的运动情况进行分析。求出了抛射型砂散射程度最小时,抛砂头叶片后倾角——ε的计算公式,可供工程技术人员参考。     

动叶可调轴流通风机叶片安装及调整工艺研究

本文详细研究了动叶可调轴流通风机叶片安装及调整施工工艺,在保证叶片安装精度的要求下适度简化了动叶可调轴流通风机的叶片安装调整工艺,并以小结的方式归纳了动叶可调轴流通风机叶片安装及调整施工过程中切实符合安装现场的施工要点。     

叶尖定时及叶尖间隙测量技术研究综述

涡轮叶片在高速旋转时会因振动产生疲劳断裂失效,造成旋转机械的损坏。叶尖定时测量技术是目前最有前途的非接触式叶片振动实时监测方法,叶尖间隙变化与叶片的振动状态密切相关。因此,实时监测叶片的振动状态和叶尖间隙是保证旋转机械安全、稳定、可靠运行的关键。系统综述了叶尖定时及叶尖间隙测量技术的原理和国内外研究成果,认为目前研究仍处于仿真模拟和实验测量的不完全成熟阶段,今后可在以下方面展开研究:1)将叶尖定时和叶尖间隙测量技术相结合,实现叶片的振动测量;2)进行无键相法的叶片异步振动测量,并投入到工程应用中;3)制定有效的动态标定方案,测量叶片在旋转状态时输出电压与叶尖间隙之间的关系;4)研制能够在恶劣环境下进行高精度、长周期测量的传感器。     

基于奇点分布法的涡轮钻具叶型设计

在高速及小直径涡轮钻具的叶型设计中,采用常规方法难得到令人满意的叶型,而采用奇点分布法来设计涡轮钻具叶型是值得尝试的。根据奇点分布法的设计流程,首先计算了涡轮钻具叶栅的叶片数、绕翼型环量、无穷远处均匀来流速度。其次,选取环量密度分布规律,设计了涡轮钻具的叶型骨线,并采用六次多项式对叶型骨线进行光滑。再次,根据翼型库中翼型的表达方式,研究了沿叶型骨线加厚叶型的方法,得到了有厚叶型,并确定了厚度圆与叶片吸力面和压力面型线的切点计算方法,提供了叶片在制造时的必需坐标点。最后,根据工程数据,设计了某型涡轮钻具的叶型,采用CFD软件对其叶型进行了流场仿真。仿真结果表明叶型性能优良,证明了奇点分布法在涡轮钻具叶型设计中的可行性,特别是对设计高速涡轮钻具更是一种行之有效的方法。     

装配式高效轴流搅拌桨的结构设计

混合设备大多是非标准设备,其结构形式极其多样。作为混合设备中最重要的部件,搅拌桨的设计也是有很多方法,我们将采用仿船用螺旋桨的方法,在整体式搅拌桨设计方法的基础上,根据设计要求及加工设备的具体情况,设计装配式高效轴流搅拌桨。详细分析装配式搅拌桨与整体式搅拌桨各自的特点,结构形状等,阐述了装配式高效轴流搅拌桨的设计思路,本文也简要介绍了搅拌桨装配。