IDDES方法模拟风切变下大型水平轴风力机流场特性

为研究风切变条件下大型水平轴风力机流场特性,以NH 1500 kW大型水平轴风力机为研究对象,运用计算流体力学中模拟流场精度较高的IDDES(改进延迟分离涡)方法,分析流场内瞬时速度分量、脉动速度和风力机输出功率。结果表明:风轮平面周围流场速度波动大,轴向速度在风轮旋转边界以外的区域会增大,在旋转边界以内的区域会亏损;脉动风速频谱特性在低频区与风轮转频的整数倍相关,风力机功率呈余弦形式输出并满足湍流谱特性。

舰载直升机端齿式折叠型尾水平轴系振动特性研究

端齿式折叠机构可以实现尾水平轴系的折叠,增加航空母舰上停靠舰载直升机的数量;同时,端齿式折叠机构对直升机尾传动轴系振动特性也会产生一定影响。建立了舰载直升机端齿式折叠型尾水平轴系动力学模型,求解分析了轴系各支承处振动响应。首先,分别基于有限元法与应变能法对折叠机构中花键连接部分及端齿连接部分进行等效简化,将花键连接部分等效为径向刚度及转角刚度,端齿连接部分等效为等效环,建立端齿式折叠机构的动力学模型,并通过与有限元仿真对比模态分析结果的方法以验证建模方法的准确性;在此基础上,将折叠装置动力学模型耦合到尾水平轴系中,建立折叠型尾水平轴系动力学模型,求解并分析了轴系振动特性。研究结果表明,各支承中,位移响应最大的在关节轴承处,最小的在主减输出端轴承处;振动响应与支承位置及其刚度阻尼特性有关。该研究可为轴系支承配置研究提供理论指导。

自由液面条件下水平轴水轮机流固耦合分析

潮流能水轮机一般安装在自由液面附近,导致水轮机的水动力特性受到自由面的影响。同时水轮机大型化后面临叶片的结构变形,进而影响水轮机的水动力性能。采用ANSYS软件中Fluent和Transient Structure模块,通过改变叶尖浸没水深,对水平轴水轮机在自由面条件下的流固耦合展开研究。结果表明:基于双向流固耦合计算得到的能量利用率比基于单向流固耦合的低,而轴向荷载系数比基于单向流固耦合的高;叶片在叶尖处变形较大,并在叶片与轮毂连接处有应力集中;水轮机能量利用率、轴向荷载系数和叶片最大变形随旋转角度发生周期性波动,且波动幅值随叶尖浸没水深的增加而减少。研究结果可为水轮机的叶片设计提供参考。

新型水平轴螺旋风力机气动性能分析

为了拓展水平轴风力机的适用范围,采用计算流体力学对2种具有不同旋叶倾角的新型水平轴螺旋风力机及其加装导管后的气动性能进行了三维数值模拟研究.结果表明:相比定角螺旋风力机,变角螺旋风力机在较小尖速比(TSR)时具有更大的功率系数(C_(P));同时,变角螺旋风力机在全TSR范围内具有更小的推力系数(C_(T)),且2种螺旋风力机C_(T)的差异随着TSR的增大而增大;2种螺旋风力机运行时高压区主要集中在轮毂前端、一阶和二阶旋叶的迎风端,低压区主要集中在三阶旋叶的背风端和轮毂后端;变角螺旋风力机前端旋叶的阻塞度相对较低,使其尾流恢复比定角螺旋风力机快;此外,导管可以显著增大2种螺旋风力机的C_(P)和C_(T),并拓宽C_(P)的TSR范围.研究结果揭示了水平轴螺旋风力机的气动特点,为该型风力机的优化设计和推广应用提供了一定的参考依据.

水平轴风力发电机叶片叶根连接结构强度研究

针对风力发电机组叶片在设计载荷下变桨轴承与叶根连接组件安全裕度问题,采用ANSYS Workbench有限元计算软件,选用根部预埋方式,对某1.5 MW级水平轴风力发电机根部螺栓连接系统进行静强度和疲劳强度分析。通过工程算法和有限元理论方法计算了叶根复合材料铺层、双头螺栓以及螺栓套的静强度和疲劳强度情况,结果表明:叶根各部件复合材料轴向应力拉伸和压缩最大值出现在叶片前缘和后缘区域,且沿前缘到后缘逐渐减小,环向玻纤应力水平较小;双头螺栓静强度最大应力出现在螺纹向细杆过渡位置,且沿圆周前缘至后缘方向逐渐减小;螺栓疲劳损伤随叶根圆周角度的增大,损伤值总体呈先增大后减小,最后再逐渐增大的趋势。该叶片的根部螺栓连接系统设计方案满足VDI2230规范要求,相关研究方法可为校核风电叶片叶根螺栓连接安全裕度问题提供参考。

叶片前倾15°对水平轴风力机性能影响研究

风能是世界新能源格局中的重要力量,但风能的利用率低,风力发电效率远低于其他发电形式。为此,提出一种改变风力机叶轮倾角的思路:采用NACA0018翼型设计制作两套风力机叶片,分别为无前倾叶片和前倾角为15°的叶片,基于SHDF低速风洞平台对两组叶片分别进行了风力机气动性能实验研究。结果表明:前倾15°叶片随着风速的不断提高,功率和功率系数都有一定上升;在风轮扫掠面积相等和其他条件一致时,前倾15°叶片在实验风速范围内,其性能都优于无前倾叶片,且前倾15°叶片在风速7~10 m/s的情况下优势更加明显。

水平轴风力机叶片风雨作用下气动性能分析

基于N-S方程和欧拉-拉格朗日法对NREL 5 MW风机叶片在风雨共同作用下的气动性能展开研究。通过数值模拟不同风速对雨滴轨迹的影响,探究风力机叶片表面在不同风速下的雨滴收集情况和在风雨共同作用下风力机叶片表面的压力分布。结果表明:风速对雨滴在流场中的运动轨迹影响十分显著;无论何种风速,风力机收集到的绝大多数雨滴直径范围为1.75~3.75 mm,占有率在85%左右;相较与纯风场,风力机在风雨共同作用下,雨滴的撞击会增强风力机叶片表面的压力。研究结果可为风机的叶片设计和在风电场中的合适布置提供参考。

水平轴风力机桨叶的实验模态分析

桨叶的模态分析是风力机整机稳定性及其可靠性分析的重要基础 ,该文应用DAS动态信号分析与故障诊断系统 ,对水平轴风力机的桨叶进行了实验模态研究 ,通过测量分析桨叶的振动信号 ,得到桨叶的模态 ,为理论分析计算风力机桨叶与整机模态的算法选择和修正提供了依据 ,同时对在模态实验中的参数识别和精度提高等问题进行了探讨。

25kW独立运行式水平轴潮流能发电系统

在分析潮流能发电装置特点的基础上,设计了25kW独立运行式水平轴潮流能发电系统。样机系统由经过优化设计的能量捕获机构、功率分流合流式的机械传动机构及蓄电池储能的电气控制系统组成。在系统透平机构捕能性能的理论预测、机械传动及电气系统的模型分析基础上,通过数字仿真对整机系统的工作性能进行了预测。海上试验结果显示,样机在实际海况下工作稳定,最大发电功率达到设计功率等级,验证了系统设计的有效性。该系统可作为独立发电装置向海岛地区用户提供电能。

水平轴潮流能发电系统能量捕获机构研究

能量捕获机构是水平轴潮流能发电系统的关键部件。在叶素动量理论的基础上设计三叶片结构的潮流能透平装置,采用变速运行的最优叶片设计方法设计叶片的几何特性,在考虑必要的模型修正后建立水动力学性能预测的数字模型,对捕能装置在不同安装角下的性能进行理论预测。预测结果显示捕能装置的水动力学设计是有效的。在实际海况下对捕能装置进行测试,试验结果显示捕能装置工作正常,设计尖速比附近的功率系数达到0.341,验证捕能装置设计方法的有效性。将试验结果与理论预测进行对比发现试验值略低于理论值,但两者总体上比较一致,验证数字预测模型的正确性和有效性。

水平轴风力机翼型动态失速特性的数值研究

动态失速对水平轴风力机的运行性能影响很大,大量的实验和分析显示,水平轴风力机在动态失速工况下其运行载荷将增长50～100%,而风力机翼型的动态失速特性是分析水平轴风力机动态失速特性的基础。本文应用CFD软件Fluent6 0对NRELS809翼型的二维动态流场进行了数值模拟,得到了翼型攻角在9°～31°范围内按正弦周期变化时的绕流流场。计算结果显示:动态失速下翼型的绕流流场与相同工况下的静态绕流流场有着十分明显的差别,同时也引起翼型升力、阻力系数的显著变化。

风剪切和动态来流对水平轴风力机尾迹和气动性能的影响

对风剪切和动态来流情况下NREL Phase VI风力机尾迹结构和气动性能进行计算。计算方法采用基于Weissinger-L升力面模型和时间推进自由尾迹模型的涡尾迹方法。应用所建立的方法对轴流工况时风力机的气动性能进行计算,并与实验数据进行比较,验证了模型的有效性。之后对不同来流风,包括稳态风剪切、极端垂直风切变和极端运行阵风时风力机的尾迹结构和气动性能进行计算。结果表明,风剪切使得叶片在旋转周期内经历变化的风速,导致尾迹结构不对称,叶片载荷随时间周期性波动;非稳态来流时,尾迹结构非对称性更明显,载荷波动更大,风力机疲劳载荷增加。计算结果能够为风力机优化设计提供支持。

水平轴风力机尾迹流场PIV实验研究

在水平轴风力机模型不同尖速比条件下,利用PIV粒子图像测速技术对风轮尾迹流场进行了测量。采用锁相平均测量技术,获得了风轮尾迹流场的瞬时速度场、时均速度场、涡量场等有关定量信息,为准确计算风力机的流场、载荷和气动特性等提供了依据。实验结果表明:风轮叶片尾缘后侧的尾迹中存在轴向速度亏损区。尾迹在叶片尾缘生成后,随即发生膨胀。直到风轮下游2倍弦长以后,尾迹低速区逐渐衰减,轴向速度不断增加,尾迹区同时发生收缩现象。风轮尾迹涡从叶片尾缘脱落后,在向下游发展传播过程中,尾迹涡的涡心所形成的运动轨迹是与风轮叶片旋转方向相反的螺旋线,涡量数值随着螺旋线向风轮下游的延伸而减小。由于风力机叶片数少,相邻叶片之间的尾迹基本上不存在互相干扰的现象。

潮流能水平轴水轮机湍流模型研究初探

借助计算流体力学(CFD)方法研究潮流能水平轴水轮机水动力学性能,选择合适的湍流模型至关重要。为此,本文采用计算流体力学软件Fluent,将Spalart-Allmaras湍流模型、标准k-ε湍流模型、RNGk-ε湍流模型、标准k-ω湍流模型和SSTk-ω湍流模型分别应用到水平轴水轮机数值模拟当中。对数值模拟结果进行分析比较,并与模型试验数据进行对比,得出应用SSTk-ω湍流模型可以更好的模拟潮流能水平轴水轮机的水动力学性能。

水平轴风力机桨叶二维增升实验研究

探讨了风力机通过在叶片上加襟翼来提高桨叶气动效率、增加功率可行性的实验研究。翼型选用在风力机中应用最多的NACA6 32 2 15 ,攻角范围为 0°～ 40° ,襟翼高度为弦长的 1 0 %、1 5 %、2 0 %、2 5 % ,并在不同襟翼高度条件下比较了不同偏转角 45°、90°、135°的影响。对每种工况测量了叶片表面的压力分布 ,根据压力分布 ,计算翼型的升力和阻力系数。结果表明 :所有工况条件下 ,加襟翼都能够增加升力系数。在Gurney襟翼条件下 ,襟翼的高度越大 ,升力系数越大 ,相应阻力系数也越大。在襟翼高度相同的条件下 ,90°的襟翼增升效果最佳。

水平轴风力机叶片稳态失速气动阻尼分析

通过对风力机叶片翼型截面进行稳态气动力分析,同时结合整个叶片的结构动力学模态分析,创建风力机叶片稳态气动阻尼分析模型。从而在准确计算单翼型和单叶片气动阻尼的基础上,建立有效的气动阻尼分析方法,探究影响气动阻尼变化的关键参数。并以容易引发叶片失速振动的负气动阻尼为研究重点,采用典型的叶片模型进行实例计算,进而应用建立的气动阻尼分析方法进行叶片模型参数修正,旨在改善失速工况下的负气动阻尼,从而为风力机叶片的气动优化和抑振设计提供较准确的现实依据。

水平轴风力机叶片疲劳载荷的计算分析

研究水平轴风力机在随机风载荷作用下结构动力响应的数值分析方法,建立基于Palmgren Miner线性累积损伤理论的等效疲劳寿命估计方法。以叶片为研究对象,利用有限元数值分析方法,求得其在随机风载作用下的位移、速度、加速度及应力等。用雨流计数法统计循环参量,将工作循环下的应力水平等效成对称循环下的疲劳载荷谱。并将疲劳载荷通过FE-SAFE疲劳分析模块分析有限元模型的疲劳特性。以某1.5MW水平轴风力机叶片为例,编制Matlab等效疲劳载荷计算仿真程序,并在ANSYS中分析其疲劳特性。

水平轴螺旋桨式海流能发电装置模型分析及试验研究

以5kW级水平轴螺旋桨式海流能发电装置为原型,通过计算流体力学理论及流固耦合仿真技术研究了叶片的动力学特征,并利用叶元理论及分段求解的方法计算叶轮的驱动力矩;其次建立发电机模型并就该离网型发电系统中电流控制对机组最大功率捕获的影响进行分析研究;最后利用Matlab/Simulink搭建水平轴螺旋桨式海流能发电系统整机模型并进行仿真,仿真结果与试验结果相对比论证了模型的合理性,并进一步表明通过电流控制可以提高低流速时的能量捕获效率。

水平轴潮流能发电机组独立变桨距系统

针对水平轴潮流能发电机组轮毂空间小、变桨角度大、变桨力矩大等特点,设计一种新型的基于电液比例控制的齿轮齿条传动方案的独立变桨距系统.该系统机械结构紧凑,占用空间小,各个桨叶变桨执行机构相互独立.在分析变桨距载荷的基础上,建立系统的数学模型,并在AMESim软件中对系统进行了仿真研究.仿真结果表明:该系统顺桨变桨180°只需1.1s,逆桨变桨180°只需3.4s,响应速度快,稳定性好,并且可以实现独立变桨,满足了水平轴潮流能发电机组的变桨要求.

水平轴风力机尾迹流场试验

在水平轴风力机模型不同尖速比条件下,利用旋转单斜丝热线在风轮下游进行尾迹流场速度测量。采用周期性采样和锁相平均技术热线测量技术,获得了风轮下游尾迹三维流场的定量信息,为准确计算风力机的流场、载荷和气动特性等提供了依据。试验结果表明:风轮下游尾迹区内气流存在明显的三维性。尾迹在向风轮下游的发展传播过程中,尾迹中心形成的运动轨迹是与风轮叶片旋转方向相反的螺旋线。尾迹区内的速度亏损随风轮下游轴向位置的增加而减弱,在气流向下游流动的过程中尾迹速度亏损值逐渐衰减,尾迹区的宽度不断扩大,并逐渐与主流掺混融合。尾迹区内相同轴向位置上不同叶高处的速度型相似。在叶片的尾迹区内,流动的紊流强度大大高于周围的非尾迹区,其中紊流强度径向、切向分量较大,轴向分量最小,尾迹区内的紊流具有高度不均匀性。