动态风向变化下风力机叶片和塔架应力及功率特性分析

风向变化显著影响风力机气动载荷分布,从而影响风力机稳定高效的运行,而气动载荷是风力机结构应力和功率变化主要影响因素之一。该文以S翼型三叶片水平轴风力机为研究对象,在旋转平台上进行风洞实验,对不同风向变化速度(0.5°、1°、1.5°、2°/s)下风力机叶片和塔架的应力以及风力机功率特性进行分析。结果表明:风向变化速度为0.5°/s时,在风向由0°变化到30°时,叶片弦向和展向应力值和风力机功率下降幅度最大;在风向由0°变化到20°时,叶片应力值和功率下降较为缓慢,风向变化结束后,风力机应力与功率会进一步减小;风向变化角度在0°~20°范围内,受叶片转速和气动载荷下降速度与风向变化耦合作用的影响,塔架应力值出现较大波动,并随风向变化速度的增加,波动出现的区间从15°~20°提前到0°~5°;风向变化结束后,叶片转速持续下降,造成塔架应力仍有不同程度的波动。结果可为考虑风向变化下运行的风力机结构设计提供一定理论依据。

风向变化下不同材料叶片动态应力试验研究

为了了解不同材料风力机叶片在风向变化过程中的应力变化规律,以木质、玻璃纤维和碳纤维材料的S型风力机叶片为研究对象,使用风洞及动态旋转平台模拟风向变化情况并通过试验方法进行研究.结果表明:在同风速、同尖速比条件下,弹性模量较大的碳纤维叶片叶根前缘处应力值远大于玻璃纤维叶片和木质叶片叶根前缘处应力值,重量较大的玻璃纤维叶片比碳纤维叶片和木质叶片叶根前缘处应变值大;不同材料叶片叶根及展向应力、应变分布有所不同,但总体基本呈现由前缘(0.25C)向后缘(0.90C)、由叶根(0.20R)向叶尖(0.90R)减小的趋势;风向变化开始后,刚度高的碳纤维叶片由于抵抗弹性变形的能力强,其各测点应力、应变值最先出现明显下降趋势,之后依次为玻璃纤维叶片和木质叶片,3种材料叶片各测点的应力、应变值均呈现反S型下降曲线;叶片材料不同会导致同翼型同一测点处受到拉伸或挤压作用的大小、最大主应力方位角出现较大差异.

边界层和压力滞后对翼型动态失速性能的影响

为优化动态失速模型经验常数,提升动态失速发生时翼型气动性能预测精度,该文基于B-L动态失速模型,结合内蒙古工业大学风能太阳能利用技术教育部重点实验室风洞实验数据,探究压力滞后及边界层滞后时间常数对翼型动态失速性能的影响。主要结论如下:压力滞后与边界层滞后时间常数对动态升力系数的影响较大且与平均攻角有关。当平均攻角相对较小且气流处于附着流动与分离流动之间时,适当减小时间常数可使动态失速模型计算结果更接近实验值;当平均攻角相对较大,气流处于分离流动与完全分离流动时,可适当增大时间常数值。压力滞后与边界层滞后时间常数对动态阻力系数的影响不显著。动态升力系数仅在攻角逐渐减小的完全分离流动过程中,随着边界层滞后时间常数的增大而减小。

极端风况下兆瓦级风力机动力学特性研究

鉴于强湍流和风向突变等极端风况导致风电机组事故频发的现状,该文提出一种适用于各种复杂风况的大型兆瓦级风力机动力学响应计算方法。将叶素动量理论、混合梁理论、有限单元法、修正的Newmark-β法及Lanczos解耦技术相结合,考虑柔性风轮的非定常入流效应、剪切变形和离心刚化效应、气动-结构阻尼影响、柔性部件结构耦合及非线性大变形等特性,探究极端连续阵风和极端湍流风况下风力机的动力学特性。研究发现,风向角会引起冲击载荷效应致使叶片和塔筒位移在趋于稳定前出现较大突变现象;叶片挥舞变形受极端湍流脉动特性影响较大,纵向湍流分量导致塔筒前后方向振动剧烈。结果可为极端风况下风力机气弹稳定性能判定、风电机组整机刚柔耦合动力学仿真技术实现提供一定参考。

叶片旋向对风力机尾流特性影响的试验研究

采用一种简单、有效的方法来改善风力机尾流效应,提升下游风力机功率。进行叶片旋向对风力机尾流特性的试验研究,利用低频粒子图像测速(PIV)系统对NACA4415翼型的叶片进行扰流流场测试并采集风力机的尾流数据。当2台串列排布的风力机旋向不同时,首先在下游风力机前1D(D为风轮直径)处,叶尖涡涡核位置向中央尾迹区偏移,而外部主流区的流体在叶尖涡诱导区的输运和卷吸作用下持续进入中央尾迹区并与之掺混使得轴向速度恢复得更佳;进而分析下游风力机后1D的流场数据,结果显示:虽然下游风力机叶尖涡几何结构被“打碎”,但涡核能量却未降低;最后探讨影响风力机功率特性的因素,下游风力机入流角的增大促使下游风力机捕获更多风能,在风轮间距为2D时,逆向旋转的功率比比同向旋转时高4.70%,且功率比随间距增加其增幅逐渐减小。

基于现场测量的建筑环境风场特征分析及风力机出力评估

采用ZephIR 300激光雷达测风设备对呼和浩特市区某建筑风场进行为期12个月的现场测量,获取11~200 m内共11个高度上的风速、风向及湍流强度值,然后对风场的湍流特性进行分析,并计算6种风力机的年容量系数。结果表明:所有高度上0~3 m/s低风速的出现频率明显增大,出现频率最高的风速在2.0~2.5 m/s,而大于10 m/s风速的出现概率几乎为零,而且传统威布尔概率密度分布不能准确对城市建筑环境内的低风速分布概率做出预测;0°~90°区间内的风向出现频率较高,但风功率密度却相对较低,不能仅以盛行风向为依据选择风力机的安装地点,而需同时考虑不同风向上的风功率密度;为避开强湍流区域,低矮建筑环境内风力机的安装高度应高于建筑平均高度,且应设置为分时段和分风向工作模式;而低额定风速和低切入风速是建筑环境内风力机高容量系数的有效保证,其中低额定风速的影响更大。

永磁风力发电机产能效率优化策略研究

永磁同步风力发电机存在产能效率不高的问题,而诠释产能效率的两个分解因素是?效率和输出功率,因此该研究借助一种响应面法(RSM)和存档微遗传算法(AMGA)相结合的优化方法,以改善内部结构参数开展提高发电机产能效率的双目标优化研究。首先建立发电机?平衡模型,确立优化双目标;其次,采用敏感性分析法确定定子内径、气隙长度、永磁体厚度及铁芯长度组合为设计变量,通过Box-Behnken试验设计(BBD)试验设计获得29组样本数据,根据RSM获得输出功率和?效率的回归方程,并经方差分析验证模型可靠性;最后以?效率和输出功率极大为优化双目标,借助RSM和AMGA相结合法进行寻优,得出最佳结构参数,从而提高发电机产能效率,并降低了功率脉动,提升电能品质。

侧风角动态变化对风力机叶片应变影响的试验研究

通过在风洞中搭建动态偏航试验台,利用无线应变测试系统对水平轴风力机叶片应变进行测试,探究侧风角动态变化过程中水平轴风力机叶片所受载荷的变化规律.在侧风角由0°到45°连续变化时,对风力机叶片展向各测点应变数据进行处理分析,获得叶片叶根至叶尖位置的应变变化规律,揭示了侧风角的变化速度对风力机叶片所受应变的影响.在侧风角动态变化下,叶片所受应变出现迟滞现象,迟滞作用范围为10°;在侧风角变化速度为0.5°/s和1.0°/s时,叶根位置较叶尖位置对侧风角的变化更为敏感;在相同侧风角下,造成叶根位置应变在不同侧风角变化速度工况之间存在差异的原因是离心力载荷不同.

基于加强环的混凝土梁柱浇筑工艺在高层建筑地基工程中的应用研究

研究提出了一种加强环加固方法,该方法首先利用有限元对混凝土梁柱浇筑角节点进行分析,然后利用加强环提高施工梁柱承载力,实现高层建筑地基工程中混凝土浇筑梁柱的加固。结果表明,在研究选择的试件中,有限元分析极限承载力值分别为812、915、1165、1169、1249。与试验分析极限承载力值分别相差7、10、-22、4、42。这说明在高层建筑地基施工过程中,利用有限元分析对加强环加固混凝土浇筑梁柱角节点的施工性能进行对比,能够提高梁柱节点的承载力和稳定性。研究成果不仅有助于提高高层建筑的结构稳定性和安全性,还能提高施工质量和效率,降低工程成本。

周边建筑对目标建筑顶面风力机微观选址的影响

为分析周边建筑物对目标建筑物顶面风流场特性的影响,以内蒙古工业大学学生宿舍为目标建筑物,并以其为中心,分别对五种不同半径范围内的周边建筑物进行模拟计算,分析盛行和非盛行风向下五种几何模型中目标建筑物顶面的风场特征,结果表明,所考虑周边建筑物的范围尺寸对目标建筑物顶面风场特征影响较大,随着考虑周边建筑物范围尺寸的扩大,目标建筑物顶面的减速现象越明显,且强湍流区域越大。由于不同尺寸范围内周边建筑形态、布局、高度等差异,仅考虑盛行风向不能准确判断目标建筑周围风场特征,需根据周边建筑的结构和分布特征对多个风向情况进行分析。

大型兆瓦级风力机气弹耦合数值模型研发及应用

为探究大型兆瓦级风力机柔性叶片非线性气弹特性,揭示叶片大范围空间运动与气弹响应耦合机制,该文提出一种用于分析风力机气动性能、模态特征、气动阻尼及动态响应的实时双向气弹耦合研究方法。将叶素动量理论、混合梁理论、Lanczos模态分析法及修正的Newmark-β位移迭代法有效结合,通过MATLAB编程实现柔性叶片气动载荷、弹性变形和空间运动之间的气弹耦合仿真。经与美国可再生能源实验室公开实验数据及Bladed软件计算结果对比分析,发现最大相对误差仅为-2.77%,证实本文气弹模型准确可靠。研究发现,气弹耦合对轴向和切向气动力影响显著,对气动阻尼的影响从叶根到叶尖逐渐增强。气弹耦合导致叶片气动载荷及动态响应降低的原因是平面外结构变形。该文数值模型相比风力机专用软件Bladed增加气动阻尼和气弹耦合模块,计算结果满足与Bladed软件计算结果偏差不大于5%的要求,对柔性叶片气弹稳定判定、风力机整机刚柔耦合动力学仿真的实现具有重要意义。

基于电子鼻技术对不同黑木耳品种香气的差异性分析研究

以25个不同的黑木耳品种为供试材料,利用电子鼻技术对香气成分进行检测,探讨不同品种黑木耳的香气特征。结果表明:经电子鼻检测后,各传感器对不同品种黑木耳香气成分的差异显著不同,W3C传感器差异不显著,W1W等9个传感器均对不同品种黑木耳香气成分的差异显著(P<0.05)。主成分分析(PCA)和线性判别式分析(LAD)能够明显地区别不同品种黑木耳。传感器区别贡献率分析(Loadings)中,传感器WIW、W5S、W2W、W1S在鉴别不同品种黑木耳中起很大作用,即硫化物、萜烯类、含硫有机化合物和芳烃化合物的贡献比较大,其次是烷类和氮氧化物。

不同材质风力机叶片绕流流场特征变化PIV实验研究

考虑风力机叶片变形对绕流流场的影响,通过粒子图像测速(PIV)方法,采集两副翼型相同、材质分别玻璃聚酯(叶片Ⅰ)和玻璃聚醋内部填充泡沫(叶片Ⅱ)的水平轴风力机叶片绕流流场信息,对不同测试截面处流场数据进行分析。研究结果表明:相比于叶片Ⅰ,相同工况下,叶片Ⅱ的总体涡量、回流区的面积和时均速度更大,轴向雷诺应力更小;随着相对轴向距离的增加,时均速度在相对高度方向波动减小,材质对轴向雷诺应力影响逐渐减弱。实验工况下,叶片材质对绕流流场特征的影响大于叶尖速比对其的影响,并沿径向方向有增大的趋势。

风向角度变化对风力机叶片应变应力的影响

针对风向角度动态变化引起的风力机叶片应力变化的问题,文章将旋转机械应变遥测技术与动态旋转平台系统相结合,采用风洞实验的方法探究了风向角度变化对叶片展向和叶根弦向主应力和线应变的变化规律。实验结果表明:在风向角度变化45°范围内,叶片展向主应力随风向角度的增大而减小,叶根到叶尖的应力波动逐渐减弱;在额定风速下,叶根沿弦长方向的前缘应力较大,叶根前缘应力明显受到风向角度变化的影响;在0°和45°方位,线应变为正值,以承受拉伸效果体现,在90°方位,应变为负值,以承受挤压效果体现;在0°方位,线应变受风向角度影响较大,在90°和45°方位,线应变变化较为平缓,受风向角度变化影响较小。相关的实验结果可为工程中的风力机叶片应力的研究以及风力机结构的设计提供参考。

考虑风向动态变化下风力机塔架应力特性分析

以课题组自行研制的风力机为研究对象,通过动态旋转平台模拟风向动态变化,研究在风向动态变化情况下塔顶和塔底的应力变化情况,同时分析风向动态变化对塔架应力的影响。对比发现:随着风向变化角速度的增大,最大主应力值呈先增大后减小的趋势,风向变化角速度为0.5(°)/s时最大主应力值变化程度最小,风向变化角速度为1(°)/s时,塔架稳定性最不利。随着风向变化角度的增大,最大主应力值先增大后减小,且最小主应力值随风向变化角度的增大而减小,风向变化角度为60°时最大主应力值最小,风向变化角度在30°以内应力波动较明显。

风向变化速度对风力机功率及转速的影响

为了探索风向变化时风力机输出功率及转速的变化情况,以某S翼型三叶片水平轴风力机为研究对象,利用旋转平台模拟风向匀速变化过程,采用IEC61400中规定的极端风向角变化速度5°/s为上限,每间隔1°/s选取1个风向变化速度,即选取1°/s, 2°/s, 3°/s, 4°/s和5°/s这5个风向变化速度,研究不同风向变化速度下风力机输出功率、转速的变化规律.结果表明:风力机在不同风向变化速度下其输出功率与转速总体都呈现波动下降趋势,同一风速下风向变化速度越大,下降速率越快,但在其风向变化过程中对应的下降幅值越小;在风向变化开始与结束时都存在迟滞现象,风向变化开始时风力机输出功率出现小幅度上升,并持续波动3 s左右后才会开始下降;风向变化结束后,风力机需要继续运行一段时间后输出功率与转速才会达到稳定值,风向变化速度越大,该迟滞时间越长,初始尖速比越大,最终稳定后数值越大.

小型风力机风轮叶尖近尾迹区域声辐射测试与分析

为解决小型风力机风轮叶尖近尾迹区域的噪声问题,利用BSWA VS302USB振动噪声采集分析系统,在风洞开口试验段对不同尖速比条件下的水平轴风力机风轮叶尖下游进行近尾迹声场声辐射测试,对叶尖下游的辐射噪声频谱和声压进行了分析.试验结果表明:风轮旋转过程中风力机叶尖辐射噪声频谱是由旋转风轮的基频及其谐波所构成的离散噪声叠加在宽频噪声上组成的,其中叶片离散的旋转噪声在总噪声级中占主导地位.在叶尖翼型后缘下游存在叶尖涡和附着涡诱导效应区,对流场的扰动较大;在风轮叶尖区域叶片周围存在高压力脉动区域,声压级最强部分靠近叶尖下游区域.

小翼对风力机叶片表面压力分布的影响

在风力机叶片的叶尖上添置小翼,寻求动力放大机理,是非常重要的。本文利用CFD方法,对叶片表面及其附近的压力分布进行了数值模拟。通过对比风力机加V(8．8×8)型小翼和不加小翼时叶片的不同径向和弦向位置的压力变化,结合一定位置的等压截面图等分析,看出添置小翼扩大了叶片正负压力面的压差,找出最有影响的位置区域,为进一步揭示叶尖小翼对风力机动力放大的机理起到积极作用。

风力机叶尖加小翼动力放大特性实验研究

本文在风力机的叶尖上通过添加V型平板小翼实验,提高了风力机的输出功率。在风洞实验研究中,进行了不同长度和宽度、不同前张角和后张角小翼的探索。实验表明小翼对风力机在一定尖速比λ范围内可以提高功率系数C_p值。