叶尖形变与叶尖涡涡量间的关联性研究

基于非稳态流固耦合算法,针对某直径1.4 m的分布式水平轴风力机建立了侧风工况下的动态数值仿真模型,获得了不同风速下、不同方位角时,叶尖形变与叶尖涡涡量值随侧风角度的变化规律。研究结果表明,叶尖形变与叶尖涡涡量值随工况而变化的趋势相同;来流风载是叶尖形变与叶尖涡涡量值发生相同变化的内在关联性诱因。研究显示,来流风载并非叶尖涡涡量值发生变化的单一诱因,叶片形变所诱发的叶片吸力面和压力面之间的压力差变化,也会造成叶尖涡涡量值的改变;叶尖形变与叶尖涡涡量值间的变化规律呈非线性特征。

风轮固有频率随材质参数变化的规律研究

风轮的固有频率是风电叶片结构安全性设计中的关键参数。然而由于叶片典型的非线性结构特征,导致材质参数对风轮固有频率影响规律的诠释至今仍不够完备。基于这一背景,该文以小型水平轴风电叶片为研究对象,采用数值计算为主、实验测试为佐证的研究方法,深入探究叶片的固有振动频率随密度、弹性模量和泊松比变化的响应规律。研究发现:风轮1、3阶振型和2阶对称振型的固有频率值随着密度的变化呈现十分明显的二次方曲线规律,2阶反对称振型则呈比较理想的线性规律;风轮1阶、2阶振型固有频率值随弹性模量的变化亦呈十分明显的二次方曲线规律,3阶振型固有频率变化则表现出十分明显的线性特征。相关研究成果对于叶片结构性能的设计与优化具有较有益的参与价值。

基于高频PIV的风力机叶尖涡初始涡量值演变规律研究

基于风向变化对于叶尖涡初始涡量值影响的敏感性至今仍不清楚,及偏航工况下其随来流风速和叶片转速变化的演变规律仍未被掌握的研究背景,以直径为1.4 m的小型水平轴风力机叶片为研究对象,利用高频PIV针对性地监测不同工况条件下叶尖涡的初始涡量值,细致分析叶尖涡初始涡量值随风向、风速和叶片转速变化的演变规律。研究发现:当偏航角为0°和20°时,叶尖涡初始涡量值随叶尖速比的增大近似呈线性规律,而当偏航角介于上述区间时,变化趋势会呈明显下凹的二次曲线形式。相关理论成果的揭示对于叶片气动载荷变化机理的深入诠释以及其气动性能优化方案的掌握具有较有益的参考价值。

翼型凹变随风向变化对风机低阶振频及动态应变的影响研究

针对风力驱动机械装置的叶片失速问题,文章通过将翼型向内侧凹变的被动控制方式应用到某小型水平轴风力机叶片吸力面,发现在80%弦长处实施长度为350 mm凹变形式的叶片,可在风机旋转轴心与来流风向偏差30°范围内对风轮做功能力有一定提升作用。在此基础上,在来流方向发生偏斜的情况下,文章对低频下易触发的圆盘振动和轴向窜动的结构动态响应两种振动形式的振频和动态应变的变化特征进行了细致分析。

动态入流下风力机近尾迹气动噪声研究

基于自然风非定常性,结合某S翼型水平轴风力机实际运行条件拟合出3种动态入流函数,建立不同入流下的非稳态计算模型,研究动态入流对尾迹气动噪声和叶片压力脉动的影响。结果表明:各动态入流下各倍频声压级均高于恒定入流,大小规律表现为:扰动入流>渐变入流>阵风入流>恒定入流;动态入流对声压级的敏感性随倍频阶数增大而增强;沿轴向动态入流与恒定入流声压级差值逐渐增大;阵风入流、渐变入流和扰动入流的压力脉动峰值依次增大,这也是声压级产生相同大小规律的原因。通过分析入流情况对叶片声场分布和变化规律影响研究,对未来大型叶片噪声评估和降噪设计提供一定的理论和参考依据。

基于等效刚度法优化的风力机叶片刚度计算

风力机叶片刚度由于非线性且截面变化程度大的特点,针对叶片建模初期刚度的评估问题通常采用刚度展项分布图体现叶片刚度,存在评估叶片刚度的参考参数不够直接、宏观的问题。基于变刚度梁挠度计算的等效刚度法,将叶片等效成变截面悬臂梁,根据叶片特征合理选取边界条件,以叶片建模的截面数据特点为基础,优化原始等效刚度法的计算方式,使该方法更加贴合叶片模型,从而适用于叶片,达到方法优化的目的。利用ANSYS有限元软件进行叶片的预应力模拟实验,得出叶片的挠度模拟数值,以该模拟计算的挠度值为参考,验证优化后方法的有效性。结果表明:优化后的等效刚度法得到的刚度值,在低均布载荷值22.5 Pa下理论计算的挠度值与试验挠度值的误差达到9.68%,减小原始方法计算的误差贴近叶片模型,可用于叶片刚度估算,为叶片的刚度计算提供新方法。

风电产业发展现状及制约瓶颈

文章综述了2017年世界陆上风电、海上风电产业发展的新态势和新特征;介绍了中国风电新增装机量及其年同比增速;概括了中国六大地区新增装机速率、新增装机机型特征、现服役装机机型特征和5年来中国海上风电新增装机区域分布特征。文章还阐述了中国风电机组制造商装机量现状及其在陆上、海上风电发展方面已具备的优势。最后,文章从限电问题、生产成本、自主创新能力、制造和配套能力、标准体系建设、政策措施、并网、社会对风电的认同度和行业竞争等9个方面,汇总了当今风电产业发展的主要制约瓶颈。

基于高频PIV的偏航对风力机叶片尾迹膨胀和叶尖涡耗散影响

为了揭示叶片尾迹结构随偏航角变化的响应特征,该文以直径为1.4m的水平轴风力机为模型,利用高频PIV开展了尾迹流场特征的试验测试,探究了尾迹膨胀、叶尖涡耗散与来流风速、接入负载(即叶片转速)、偏航角度间的关联性和关联规律。研究结果揭示:不偏航时,随着发电机接入负载的增加,尾迹流动向风轮外侧膨胀的趋势变大,外流场与尾迹流场间的掺混效应加剧,从而导致叶尖涡耗散速率加快;偏航时,偏航行为会使尾迹流场向风轮内侧收缩,且收缩速率会随着偏航角的增加而变大,此时外侧流场与尾迹流场间的掺混效应减弱,从而导致叶尖涡扩散速率减小。测试结果同时揭示:在叶尖涡脱落的初始阶段,涡量值存在先增大后减小的规律性变化。同时,偏航状态下,叶片转速的增加会促使最大涡量值点提前出现,且提前出现的趋势会随偏航角的增大而加剧。该文以试验测试的方法揭示了叶片的尾迹膨胀和叶尖涡耗散特征,相关成果对于叶片尾迹结构组成和输运规律的深入探究具有较重要的参考价值。

翼型凹变对风轮旋转噪声影响特性分析

针对某分布式小型风力机叶片,为了探究翼型凹变后对风轮旋转噪声的影响效果,利用60通道声阵列系统对凹变叶片和原叶片风轮进行旋转噪声采集,并通过探究翼型凹变对风轮结构动态响应的影响,解析了翼型凹变造成风轮旋转噪声降低的原因。结果表明,翼型凹变可以有效地提高叶片的固有频率和阻尼比,提升了叶片的刚度,有效地减弱了叶片对周围流体的涨缩作用,从而降低了风轮的旋转噪声;另外发现,翼型凹变对旋转噪声不同倍频谐波声压级影响的敏感性不同,即随着倍频次数的增加而逐渐增强。相关研究成果为降低风轮旋转噪声提供了新的思路及解决方案。

动态入流对叶片气动性能和叶面压力分布影响的数值分析

基于稳定风、渐变风、阵风等入流方式,建立了不同变风阶段叶片气动载荷非稳态计算模型,研究了不同风速变化速率对叶片气动性能以及叶面压力分布的影响规律。研究结果表明,在相同风速下,不同风速变化率会对风轮输出转矩产生影响,且风的加速度越大,其影响越显著。同风速下的压力面渐变风压力小于稳定入流压力,且两种入流方式的压力差随展向位置逐渐增大,而吸力面上的压力分布差异较小,但压力变化梯度随展向位置却有明显不同。阵风入流中,在相同风速的阵风加速与阵风减速时刻,压力面、吸力面的压力分布差异较大,但其压差随叶片展向位置波动较小;在叶根到叶片展向位置0.7R处,阵风加速出力大于阵风减速;在0.7R处到叶尖位置,阵风减速出力效果相对更好。

M形叶尖小翼对叶片输出功率和振动频率的影响

提出一种M形叶尖小翼,以SD2030翼型叶片为模型,首先在叶片输出功率改良方面证实小翼几何结构设计的成功。在此基础上,通过实验测试探究小翼对叶片输出功率和振动频率影响的敏感性和规律性。研究揭示:不同工况下,小翼对叶片做功能力均具有较好的增益效果,且随来流风速和叶片转速的增大,增益效果增强;小翼具有调节叶片最大输出功率值及其出现所对应工况的能力;小翼对叶片1、2阶反对称振型固有振动频率值的减小程度明显高于同阶对称振型固有振动频率值的降低;同时,小翼具有调节叶片穿越共振带的能力,这对于叶片最佳转速和避免共振的设计与性能改良具有重要的实用意义。

翼型凹变对叶片结构安全性的影响

文章针对某分布式水平轴风力机,提出采用翼型凹变的方式对叶片翼型吸力面进行优化。借助B&K公司的Pulse16.1结构振动分析系统,对翼型凹变叶片和原翼型叶片进行模态和动频测试。研究表明:翼型凹变后叶片刚度约有4%的提升;在相同工况下,翼型凹变后的加速度幅值普遍低于原翼型,减振效果明显;翼型凹变对轴向窜动影响最为明显,减振效果达到30%左右。相关研究成果可为风力机在远短于设计寿命期内频繁发生疲劳损伤或断裂提供新的解决途径。

叶尖涡随工况变化的响应特征分析

风力机叶片处于偏航工况时,涡量值随工况因素变化显著,叶尖涡涡量值难以识别,相关的实验研究成果也比较少。针对该现状,文章提出了新的涡量值提取方法,并采用高频PIV设备,以直径为1.4 m的分布式水平轴风电叶片为实验模型,开展了相关叶尖涡特征测试;揭示了来流风速、叶片转速、偏航角度变化对叶尖涡涡量值影响的敏感性和影响规律。新方法的提出,对基于实验手段开展的偏航条件下叶尖涡涡量值特征分析,具有一定的借鉴意义;相关结论的获得,可对此前一些研究人员所获得的彼此相悖性结论作出验证;相关实验数据的获得,可为风力机开发中亟待解决的流固耦合主控方程有效解耦合方法的探索,提供可靠的实验数据。