基于叶尖延长的2 MW级风机叶片载荷优化控制策略

针对风资源优良、风电机组叶片相对较短的现有风场,通过叶片延长可有效提升风电机组发电量,但同时增加了叶片载荷,降低了叶片寿命,并影响机组功率输出的稳定性。首先利用叶素-动量理论对比分析叶尖延长前后的叶片根部载荷变化,提出叶片坐标转换变桨控制方法,通过Coleman变换得到叶片桨距角变换参数,以此优化机组变桨系统输出的桨距角调整量。实验结果表明,采用所提方法在机组功率提升11%基础上仍可使桨叶系统达到减负降载效果,保证了风电机组叶片延长后输出功率的稳定。

基于叶片载荷的变桨后备电源能量计算方法

风力发电机集成备用电源的设计越来越受到关注,而变桨系统因其策略灵活、控制性能好等优势,成为其中的优选方案。然而,如何精准计算变桨后备电源的能量需求,直接关系到整个系统研发和运行的经济性和可行性。为解决这一问题,本文提出了一种基于叶片载荷的变桨后备电源能量计算方法。通过对风力发电机叶片载荷的系统分析,识别出影响其功率需求的主要因素。基于风速分布特性和叶片载荷的关系,建立了备用电源能量需求的计算模型。

基于仿真分析的叶片载荷与叶片-塔架净空数据分布研究

为了揭示风电机组叶片载荷与叶片-塔架净空的内在关系,以叶素动量理论、结构动力学理论等仿真理论为基础,采用Bladed软件对5 MW直驱永磁风电机组进行整机仿真建模,研究风激励下叶片载荷与叶片-塔架净空的数据分布。仿真结果表明:当叶轮呈现Y字形态时,叶片载荷与叶片-塔架净空存在确定的线性关系;当桨距角和对风偏差改变时,叶片载荷与叶片-塔架净空的线性关系仍然存在。

基于叶片载荷的涡轮发电机叶片反问题优化设计研究

针对传统水力设计难以满足井下涡轮发电机的性能要求,提出了一种以叶片载荷为设计变量,输出功率为目标函数的反问题优化设计方法。基于井下涡轮发电机叶片载荷分布规律,采用“三段式”对其进行参数化,依据初始模型叶片载荷分布形式,对NC处载荷进行线性增减,每次变化为0.2倍,设计6种不同叶片载荷分布方案,采用反问题方法设计叶轮模型,计算6种方案的输出功率,得出最高输出功率为方案Ⅱ,值为118.867 W,初始模型输出功率为93.2796 W,最低为方案Ⅳ,输出功率为80.77 W;其中方案Ⅱ的前加载点处载荷相较于初始模型增加0.2倍;对叶片载荷进行分析,得出了井下涡轮发电机输出功率随前加载点处载荷先增加后减小。基于叶片载荷与性能之间的关系以及本文所设计的叶片优化模型,经过不断计算迭代得到了适用于井下涡轮发电机高性能的目标叶片载荷分布方案,目标叶片载荷前加载点处的载荷相较于初始模型增加0.28倍;依据该方案进行反问题设计,对目标叶片载荷与模拟载荷进行比较,二者较为接近;经过数值计算得到同等条件下,经过叶片载荷分布反问题设计模型的输出功率为129.8 W,相较于前6种方案中最高输出功率增长10.933 W,提升9.26%;叶片压力最高值的位置处于前加载点附近,前加载点一直处于高压区,证明了基于叶片载荷分布对井下涡轮发电机的反问题优化设计方法和理论的可行性。

轴流泵叶顶区的空化流场与叶片载荷分布特性

针对轴流泵叶顶区空化流气液混合区域密度变化,以SST k-ω湍流模型为基础,对湍流黏度项进行了修正。基于输运方程的完全空化模型对轴流泵NPSH曲线、空化特性及其叶片载荷进行了数值模拟和分析,并与实验结果进行了对比。研究结果表明,修正的SST k-ω湍流模型和空化模型较准确地预测了叶顶区空化流,临界空化数预测误差为7.79%。通过高速摄影实验观测到轴流泵的初生空化为刮起涡空化、间隙附着空化和涡带区空化,空化区域也随着空化数的降低而不断扩大,直至在叶片后缘脱落和爆破,爆破位置也不断向叶片中部移动;叶片吸力面的低压区主要集中在叶顶翼型间隔角为-13°^+13°的区域;在叶轮叶顶间隙的3%区域,随着半径系数增大,叶片压力面压力逐渐减小,叶片载荷不断降低,且越接近间隙边缘,叶片载荷降低越明显,从机理上找到了空化诱导轴流泵性能下降的原因。

叶片载荷对离心泵内流动激励力及噪声的影响

基于大涡模拟技术和边界元方法分析离心泵内非定常流场及流动诱导的结构振动与噪声,研究叶片载荷对离心泵水力性能、流动激励力及流动噪声的影响.数值计算结果表明:相比于低叶片载荷的离心泵,高叶片载荷离心泵的水力效率提高了1.1%~2.9%,流场分布更均匀;相同工况下高叶片载荷离心泵的蜗舌压力脉动系数幅值比低叶片载荷泵高42.6%;叶轮受到的径向力脉动幅度也提高了7.63%;根据声场计算结果,蜗壳壁面振动速度在二阶叶频上最大,高叶片载荷离心泵蜗壳的最大振动速度是低叶片载荷离心泵的5~6倍;蜗壳振动向外辐射噪声的指向性分布也发生了变化,在10°~310°范围内高叶片载荷泵辐射的噪声声压级大于低叶片载荷泵.研究表明叶片载荷是影响离心泵内流动激励力和流动诱导振动与噪声的重要因素,低噪声低振动水泵的设计需综合考虑水力效率与泵内流动激励力.

基于叶片载荷分布的离心泵叶轮水力性能优化

载荷分布是三元反问题设计中的关键参数,为分析叶片载荷分布规律对离心泵叶轮水力性能和气蚀性能的影响,采用软件CFX对叶轮a、b和c 3种不同叶片载荷方式的离心泵叶轮内流场进行数值模拟。由分析结果可知:不同叶片载荷对离心泵叶轮外特性存在较大影响,外特性性能最好的是叶轮b,但其吸力面进口处静压值最小,外特性性能其次的为叶轮a,其吸力面进口处静压值最大,所以在兼顾离心泵叶轮效率与气蚀性能的条件下,优化出最佳载荷分布方式为叶轮a,即外特性和气蚀性最好,在其最佳载荷的基础上对其载荷分布再次进行优化可知:叶轮a-3的载荷分布水力性能和气蚀性能较好。分析结果为离心泵叶轮三元反设计提供一定参考。

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。

叶片载荷分布对小流量离心叶轮性能影响研究

应用五次Bezier多项式来控制环量沿离心叶轮叶片的子午流线的分布方法,分别设计了将载荷集中于叶片前部、中部及尾部三种载荷分布方式的叶轮,并应用三维数值模拟研究了不同载荷分布方式对小流量系数离心叶轮性能的影响。研究结果表明:叶片载荷集中在前部的叶轮性能优于集中在中部及尾部的叶轮,其内部流动损失最小;当将载荷集中在前部时,叶轮效率曲线朝大流量区域移动,将载荷集中在叶片尾部时,叶轮效率曲线会朝小流量区域移动,且载荷集中在叶片前部的叶轮压比高于载荷集中在叶片中部及尾部的叶轮。载荷集中在叶片前部的叶轮熵增最低,其叶轮出口速度比载荷集中于叶片尾部和载荷集中于叶片中部的叶轮出口速度分布更均匀,流动损失更小。

核主泵叶轮能量转换与叶片载荷的关联性分析

为了研究核主泵叶轮能量转换规律与叶片载荷分布规律之间的关联性,基于RNGk-ε湍流模型,对不同流量工况下核主泵模型泵进行全三维定常数值计算.结果表明:从叶片吸力面到压力面,叶片做功能力逐渐增强;为了使叶轮获得较好的水力性能,叶片载荷的变化趋势应保持平缓,且其载荷峰值应在靠近叶轮出口处;根据不同流量工况下的叶轮性能曲线,叶片载荷有最优变化梯度;叶轮叶片中间流线上的动压载荷随着流量的增大逐渐减小,且动压载荷变化幅度较静压载荷更为明显,叶片动压载荷占总载荷的比重越低叶轮效率越高.

叶片载荷分布对离心叶轮气动性能影响的数值研究

本文采用给定叶片载荷分布的三元叶轮设计方法对一中等流量系数,机器马赫数为0.9的闭式离心叶轮进行设计。针对盘侧及盖侧,选取不同的载荷分布型式,探究不同载荷分布对离心叶轮外特性、几何结构及内流场的影响。研究结果表明:盖侧前加载型叶轮可以获得较高的设计效率,但喘振裕度较小;后加载型叶轮小流量工况效率较高,大流量工况效率下降较快;中加载型叶轮具有较宽的工况范围。盘侧载荷分布同样对叶轮性能有较大的影响,对于所研究的离心叶轮,相对于盘侧前、中加载,盘侧后加载可以获得高的效率及较宽的工况范围。

导叶时序位置对离心泵叶片载荷影响的数值模拟

采用结构化网格及SST湍流模型,对不同导叶时序位置下离心泵内部流场进行三维非定常数值模拟,并对模拟结果进行试验验证,研究时序效应对叶轮叶片和导叶叶片载荷的影响.结果表明:当隔舌大约处在2个导叶中间(cl0,cl5位置)时,蜗壳不对称作用对叶轮内部流场影响降低,叶轮叶片压力面载荷增大,叶轮做功能力较好;当叶片逐渐靠近蜗壳隔舌时,蜗壳不对称作用对叶轮内部流场影响增大,叶片出口吸力面大于压力面载荷的位置逐渐向叶片中段偏移,导致叶轮做功能力逐渐降低;导叶叶片载荷分布受导叶与隔舌相对位置的影响较为明显.当导叶叶片尾缘靠近蜗壳隔舌时,导叶叶片载荷出现吸力面大于压力面的情况.

离心式压缩机回流器叶片载荷分布对级性能的影响研究

离心压缩机回流器叶片载荷分布决定了回流器叶片型线结构,可以通过改变叶片载荷控制参数K5,形成不同的回流器叶片型线,数值研究不同载荷分布下的回流器叶片对基本级性能的影响。研究结果表明:K5值对回流器性能影响很大,针对不同的基本级,都有最佳的回流器叶片载荷控制参数K5与之相匹配;对于基本级而言,当K5=2.4时所确定的回流器叶片型线结构使基本级的多变效率达到最大值,气动性能最优。

计及叶片载荷的双机对转式海流发电机系泊系统动力分析

设计一种新型的双机对转式海流发电机并对其系泊系统与叶片载荷和直径的关系进行模拟分析。通过将单机式海流发电机与已有研究相对比来验证其可靠性,在不改变系泊方式的前提下设计出双机式结构,并通过分析机身位移和旋转比较2种系统的稳定性。为考虑叶片载荷对系泊系统的影响,在Orcaflex软件中对不同精细程度的叶片进行建模,分别对比单一翼型、三翼型和九翼型的数值模拟结果。将使用M-BEMT软件优化的翼型参数与使用原始升阻力系数的三翼型发电机的模拟结果相对比,同时对使用不同直径叶片的发电机系统进行对比,说明双机式发电机的稳定性更优,为海流发电机及其系泊系统的设计提供参考。

叶片载荷对半开式离心叶轮气动性能的影响

为提高半开式离心叶轮的气动性能,采用数值模拟及分析方法对三种叶片载荷分布的叶轮在不同叶顶间隙下的流动特征及性能参数影响进行了量化对比,结果表明:载荷分布形式与叶顶间隙值对叶轮气动性能有影响,当载荷前置时,叶轮性能受间隙的影响最小;叶顶间隙引起的泄漏量对叶轮性能影响不明显;叶轮流道中后段的流动性能更易受载荷、叶顶间隙值等因素的影响,导致效率下降。

局部瞬态风况下风力机叶片载荷计算

对叶素动量理论(BEM)进行改进,动量理论的计算仍在风轮坐标系下进行,而叶素理论的计算在叶片的局部坐标系下进行。在局部坐标系下能更准确地利用二维翼型的特性来计算气动载荷,同时也能更好地调用Beddoes-Leishman(B-L)模型,从而全面考虑到风轮锥角、局部风况甚至叶片弯曲变形的影响。再将动量理论和叶素理论统一在风轮坐标系下完成迭代。采用B-L模型预测二维翼型的动态气动性能时应用切向力分离点计算分离流切向力,从而提高模型对动态气动阻力的预测精度。结合改进的BEM理论和动态效应模型对Tjaereborg 2 MW风力机进行仿真,所得叶根挥舞弯矩相比经典BEM更接近测试值。

基于叶片载荷分布的离心风机多目标优化设计

为实现离心风机气动性能的综合提升,将叶轮的叶片载荷分布作为设计参数,以风机全压效率、静压效率及全压作为优化目标建立优化设计体系。采用Morris方法分析设计变量与目标函数间的敏感性关系,综合计算流体力学和径向基神经网络建立设计变量与优化目标间的响应关系,结合遗传算法对离心叶轮进行优化。结果表明:叶片轮盖侧的前缘载荷是风机全压效率的主要影响参数;风机全压对于叶片载荷中间直线段斜率的敏感性较强;风机静压效率主要受到轮盘侧叶片载荷分布中间直线段斜率的影响。优化后风机全压效率、静压效率、全压分别提升了2%、1.4%、34 Pa;优化后叶片载荷分布呈后加载形式,叶片吸力面靠近轮盖侧的流动分离现象明显改善,尾缘二次泄漏流得到抑制。

风力机翼型后缘射流及功率载荷影响分析

通过数值计算方法,对风力机翼型DU91-W2-250建立有限元模型,采用适合翼型仿真的SST k-ω湍流模型,研究原始翼型与添加后缘射流口翼型,得到不同攻角、不同射流速度下的升力系数、阻力系数并分析了其流场,最后通过动量-叶素理论计算射流翼型对功率和载荷的影响。结果表明:在0°~8°攻角范围内,升力系数和阻力系数上升呈现线性,升阻比保持不变,大于8°攻角阻力系数上升明显,射流不能改善翼型气动特性。添加射流翼型在8°攻角范围内可以增加翼型单位功率,但增加了叶片的载荷。

叶片刚度对风力发电机组载荷的影响

为了研究受叶片刚度变化影响的载荷灵敏度问题,提出利用柔性多体动力方程对全耦合风机进行建模的方法,并考虑叶片旋转时产生的空气动力、重力及离心力作用对叶片进行模态分析,求解叶片的气动阻尼.运用Newmark法对风力发电机组叶片进行动态分析计算,得到总的动态响应载荷.以某3 MW风力发电机组为例,计算叶片在不同刚度下的载荷敏感度,仿真其在额定风速下的正常发电情况,获得其叶根、塔底、偏航轴承以及轮毂的载荷.仿真结果表明,叶片刚度降低导致叶根载荷减小,但是塔底、偏航轴承载荷增加;叶根XY、塔底Z、偏航轴承Y及轮毂Z方向载荷变化较为敏感.

大型风力机叶片在三维湍流下的载荷分析与计算

风力机叶片载荷的分析和计算是叶片结构设计的重要依据,也是整个机组设计过程中的关键和基础性工作之一。在叶片坐标系下,分析了1.5 MW风力机叶片的主要载荷并介绍了载荷的计算方法;应用Bladed软件将得到的湍流风文件加载到风力机叶片模型上,采用Improved von Karman湍流模型,分析叶片在正常风工况及极端湍流风况下的载荷情况,为叶片的结构设计及强度校核提供参考。