基于BLADED软件的大型风力机叶片气动分析

基于BLADED软件,根据德国GL2003国际标准,对应用于GL3A风场的某款1.50 MW大型风力机叶片的气动额定功率、风能利用系数、疲劳载荷、极限载荷等进行分析。研究结果表明:在与某款1.65 MW风力发电机组匹配时,该叶片在风速为11.0 m/s时的额定功率能达到1.65 MW;在叶尖速比为7.8～11.4时,其风能利用系数均在0.460以上,在叶尖速比为9.5时,其最大风能利用系数可达0.486,表明该叶片具有较好的气动性能和较宽的风速适应范围;其叶根等效疲劳载荷为2.107 7 MN.m,叶根极限挥舞载荷为4.614 6 MN.m,均比该叶片载荷的原设计值小,说明其应用是安全的。

基于Qblade和Matlab的风力机叶片设计与气动性能分析

首先使用Qblade计算翼型的气动参数,将数据进行处理后,利用Wilson设计模型,结合Matlab编程软件对某小型风力机叶片进行设计。再基于叶素动量理论,利用Qblade对所设计的叶片进行气动性能计算,并根据weibull风速分布模型计算风力机的性能。计算结果表明:编写的程序正确,Qblade风力机性能计算软件能正确反映叶片气动模型,并在保证计算结果准确的同时节省风力机叶片设计前期计算的时间。

Robust Analyzing Tools for Wind Turbine Blades Coupled with Multiobiective Optimization

This paper presents an approach that utilizes the recently developed tools for analyzing wind blade properties resulting from geometric shape and geographical site characteristics to find possible blade design improvements. A set of blade shapes with a certain deviation of chord distribution from the initial geometry was investigated for WindPACT 1.5 MW turbine. The results showed that the original blade geometry can be improved based on individual site wind characteristics, giving better aerodynamic efficiency and reduced cost.

倾转机翼/旋翼机过渡姿态规划分析

针对带有倾转机翼段的新构型倾转旋翼机复杂的倾转过渡变构型过程,提出一种基于动量叶素理论的高速段倾转走廊边界计算方法。通过低速时机翼失速限制和高速时旋翼可用功率限制建立倾转过渡走廊计算模型,对比了传统构型倾转旋翼机和倾转机翼/旋翼机的倾转过渡走廊差别。对2种构型倾转旋翼机倾转过渡状态下前飞速度、机身迎角、旋翼桨距角姿态进行了对比分析。结果表明:带有倾转机翼段的倾转机翼/旋翼机具有更狭窄的倾转走廊,在短舱角0°状态,倾转机翼段占1/3展长的旋翼机相较于传统构型倾转旋翼机,倾转速度边界从39~57 m/s缩减到41.7~51.2 m/s,倾转操纵难度加大;在大于45°短舱角的倾转前期,同样的前飞速度和短舱倾转角状态下,倾转机翼/旋翼机机身迎角降低约2°,旋翼桨距角增大1°~4°,随着倾转过渡的完成,2种构型倾转旋翼机姿态差异逐渐变小。

涵道螺旋桨多工况设计

单一工况下设计的涵道螺旋桨通常不能满足垂直起降飞机的多工况高效需求。基于叶素动量理论可以开展涵道螺旋桨多工况设计,其关键在于不同工况下螺旋桨拉力占比、修正来流速度的计算。在无螺旋桨几何的情况下,采用动量源方法对涵道拉力进行估算,提出了修正来流速度的计算方法,基于最小能量损失原则建立螺旋桨几何,采用多重参考系方法进行耦合计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)修正,得到单一工况下弦长扭转角关系、螺旋桨拉力占比以及修正来流速度。通过改变设计升力系数及转速,使不同工况下涵道螺旋桨的弦长及扭转角相匹配。分析结果表明,动量源方法计算的涵道拉力占比较大,来流速度修正方法可减少相同工况下耦合CFD求解计算量。多工况设计可有效提高涵道螺旋桨的综合效率。

基于多岛遗传算法和动量叶素理论的风力机叶片外形优化设计研究

通过调整标准NACA翼型的控制参数建立风力机叶片翼型,采用加权平均法定义优化目标函数,建立叶片外形优化模型。采用多岛遗传算法对优化模型进行求解,获得优化后翼型参数。采用Fluent软件对优化前后的风力机叶片压力梯度、气动性能进行仿真,结果表明,优化后风力机叶片的输出功率与风能利用系数增大,叶根处的弯矩减少。

气动载荷作用下复合材料风力机叶片结构优化设计

针对复杂构形的复合材料风力机叶片内部结构,采用新设计的2 MW风力机叶片,基于等代设计法对其进行复合材料初始铺层设计;建立完整的叶片有限元参数化模型;基于修正的动量叶素理论,提出一种适用于叶片结构设计与优化的新的流固耦合方法;建立叶片优化数学模型,以叶片质量最小为优化目标,以层合板厚度、主梁位置等作为优化设计变量,采用粒子群算法与有限元法结合的策略对复合材料风力机叶片进行优化设计。优化结果表明,相比初始叶片,优化后的叶片质量有了较大的减少,而且以优化设计方案二(叶片主梁位置可变作为优化设计变量之一)的结果尤为明显。该研究对于风力机叶片结构设计及优化具有重要的指导意义,使风力机翼型、叶片及结构参数化一体化设计成为可能。

考虑土-结相互作用大型风力发电结构风致响应分析

以南京航空航天大学自主研发的某5MW大型风力发电结构为研究对象,建立考虑叶片离心力的"叶片-机舱-塔架-基础"一体化有限元模型,并通过在基础和土体交界面上设置质量弹簧和阻尼器来考虑土-结相互作用(简称SSI)效应;然后基于谐波叠加法和改进的叶素-动量理论模拟考虑旋转和相干效应的风力发电结构脉动风场;最后进行风力发电结构的风致响应分析。结果表明考虑SSI效应的大型风力发电结构风振响应具有多振型响应和多模态耦合特性,叶片和塔架的风致背景、共振响应及其耦合项作用机理不同。研究认为SSI效应对大型风力发电结构的风致响应影响明显。

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。

水平轴风力机叶片气动性能研究

以动量-叶素理论为基础建立了水平轴风力机叶片气动计算模型,同时考虑叶尖损失、叶根损失及失速状态下动量理论的失效对动量-叶素理论进行修正,通过对NREL10 m风力机叶片进行气动性能计算,通过与实验数据的对比,探讨模型的准确性。

基于多体模型的水平轴风力机气弹耦合分析

大型风力机的气动载荷、惯性力和弹性力等交变载荷会引起柔性风轮、塔架等构件的耦合振动,影响风力机性能和使用寿命。针对水平轴风力机的气弹耦合数学模型的建立及其数值积分方法进行研究。采用能反映弹性变形的超级单元(Super-element,SE)将柔性构件离散为带有力元弹簧和阻尼器的旋转铰连接的有限个数的刚体。基于多体系统(Multi-body system,MBS)动力学理论和混合多体系统(Hybrid multi-body systems,HMBS)的建模方法,通过编制的仿真程序自动建立受约束的风力机多体系统动力学方程并进行数值求解。通过傅里叶谱分析方法,实现了系统动力学特性分析。算例分析美国可再生能源实验室(National renewable energy laboratory,NREL)公布的5 MW水平轴近海风力机的固有频率与振型,验证了程序的有效性和建模方法的正确性。基于叶素动量(Blade element momentum,BEM)理论,计算叶片变形状态下各刚体所受的气动力,在数值积分过程中实时实现流固之间的耦合。分析结果表明超级单元能用较少的自由度准确地描述风力机气动载荷、惯性力和弹性力三者之间的耦合。所开发的仿真程序能为风力机气弹耦合及稳定性分析和控制系统设计提供实用的分析平台。

大型风力机叶片气动外形及其运行特性设计优化

大型风力机叶片气动外形设计时,不仅应考虑气动外形参数的优化,还应该考虑参数优化后的运行特性,才能为风力机实际控制提供依据。为此,提出一种叶片气动外形及其运行特性设计优化方法。该方法首先建立叶片翼型分布、弦长分布和扭角分布等气动外形参数控制方程,基于叶素-动量理论分析各参数变化对风轮功率的影响。在满足额定功率条件下,以减小所需额定风速为目标进行优化求解,求解过程中考虑初始桨距角的影响。针对优化后的风轮,设计了风轮转矩-转速关系曲线,分析了风轮运行特性。最后,采用计算流体动力学方法佐证了设计结果的正确性。

基于间歇性风速的风力发电机功率输出模型研究

随着风电渗透率的增加,间歇风速对系统运行的影响不可忽视。建立间歇性风速模型和间歇风速下的风机功率输出模型,对解决电力系统规划运行问题至关重要。间歇性风速模型可以确定历史风速数据中强波动性风速。间歇风速下的风机功率输出模型可以评估风速间歇变化过程的风电场输出功率。首先,根据混沌理论建立间歇性风速模型,确定间歇性风速区间以及区间内的间歇性风速。其次,利用动量-叶素理论建立风力发电机功率输出模型,根据风速变化时桨叶的受力情况,评估间歇风速下的风力发电机输出功率。最后,利用大同某风电场采集的数据验证所提方法的有效性。

基于叶素-动量理论的潮流能水平轴水轮机水动力性能分析

运用简化风车理论对水轮机叶片进行设计,基于叶素-动量(BEM)理论,采用Glauert修正,计算水轮机在不同工况下功率、转矩等水动力性能,得到不同工况下水轮机性能曲线;在风浪流水槽中进行模型试验,对叶素动量理论计算结果进行验证,为水轮机性能分析提供理论支持。

风力机叶片气动弹性和颤振主动控制研究进展

文中首先结合国内外研究进展情况概括总结了大型风力机叶片气动弹性等效梁建模理论,以及解决风力机叶片气动弹性稳定性问题的常用方法:BEM方法、动态失速模型和CFD方法。其次,对在现代大型风力机叶片设计中颇受关注的,智能材料在风力机叶片结构颤振及振动主动控制中的应用研究现状也给予了简要的介绍。最后指出一些尚待进一步研究的问题,以及今后的发展方向。

水平轴风力机的设计与流场特性数值预测

选用NACA44XX系列翼型,用基于叶素-动量理论的威尔森(Wilson)方法设计一模型风轮.考虑塔架机舱对流场特性的影响,合理地建立整机流动模型.在FLUENT软件中采用大涡模拟方法对该定桨距型的风力机进行三维绕流场的数值预测,得到流动细节与变形的螺旋形尾涡系.分析定桨距风力机的工作特点,并对尾涡变形原因做定性分析.结果表明:粘性耗散与塔架效应是引起尾涡变形的主要原因.

MW级变桨距风电机组叶片转矩计算与特性分析

以叶素-动量理论及其修正方法为理论基础,以某MW级水平轴式风电机组为研究对象,建立MW级风电机组叶片转矩特性数学模型,对计算算法进行了分析与讨论。获得了来流风速切变条件下,诱导因子变化规律以及叶片载荷、叶轮转矩、机械功率、风能利用系数等计算结果,与风电机组实际状况基本吻合。计算结果表明,单个叶片承受周期性交变载荷,而风轮合转矩波动量较小,在满足风电机组功率稳定输出性能指标的同时,期望改善叶片载荷状况,延长其寿命,应采用独立变桨技术。

低流速水平轴潮流能发电装置桨叶的研究

提出一种桨叶设计流速的计算方法,使以此设计的桨叶在一个变化的流速范围内获得较好的捕能效率。首先,对实验地点的海水流速变化进行测试分析,通过计算确定桨叶的设计流速;其次,在叶素动量理论的基础上采用Wilson的优化设计法,通过Matlab软件计算8 kW水平轴潮流能发电装置的桨叶外形参数,并对其在不同流速下性能进行数字预测。最后,在实际海况下对捕能装置进行测试,实验结果表明捕能装置性能和数字预测基本一致,验证了设计方法的正确性和有效性。

微型旋翼悬停状态气动性能分析方法

为了了解微型直升机工作时相关的气动知识,建立了一套微型旋翼悬停状态气动性能分析方法。该方法包含了低雷诺数下微型旋翼桨叶翼型的二维气动特性分析的CFD技术和旋翼气动特性分析的动量/叶素理论。对影响微型旋翼悬停性能的因素做了初步分析,合适的翼型弯曲、桨叶尖削等,有助于提高微型旋翼的最大悬停效率。文中还对分析的部分结果进行了试验验证。

低噪声风力机叶片气动外形优化设计

针对目前兆瓦级风力机叶片噪声污染问题,基于动量叶素理论及叶片噪声计算模型,提出在给定工况条件下,以功率系数与噪声的最大比值为目标函数,以影响叶片气动噪声性能的弦长及扭角为设计变量,建立了低噪声风力机叶片优化设计数学模型。对某实际2.3MW风力机叶片进行优化设计,并与噪声实验数据对比,结果表明:在主要频率域范围内,叶片噪声预测值与实验数据较吻合;相比原叶片,新叶片具有更低的噪声特性,噪声声压级降低了约7.1%,同时风轮功率系数略有增大,从而验证了该设计方法的可行性。