基于片条理论的伞形风力机叶片参数优化

针对伞形风力机输出特性方面的不足,结合伞形风力机结构的特点,提出收缩角影响因子,并以片条理论为基础构建数学模型,利用MATLAB软件在全年风速为8m/s的风场下以年发电量最大为优化目标,对伞形风力机叶片的弦长、扭角参数进行全局优化。为保证功率计算的准确性,通过CFD的大涡模拟进行功率计算,并将优化结果与原叶片进行比较。结果表明:该方法设计的叶片具有良好的输出特性,在低风速区优化效果显著。在年发电量上优势明显,较原叶片年发电量增加13%。

不同收缩角下伞形风力机振动特性试验研究

为验证伞形风力机在实际运行过程中的结构安全性,对5 kW伞形风力发电机的测试样机进行振动试验,研究风速及收缩角对伞形风力机振动特性的影响。分析结果表明:45°及60°收缩角下,由于叶片气动弹性及惯性作用,塔筒不同高度垂直径向振幅在5~7 m/s风速段内出现突增,随着风速增大,叶片转速增大,振幅出现下降趋势。由于叶片在收缩角增大过程中逐渐靠近中心涡,塔筒不同高度水平径向振幅随之增大。对比分析塔筒垂直径向与水平径向振动加速度幅值可知,塔筒主要体现为水平径向弯振。发电机垂直径向振动加速度在45°收缩角下达到峰值,其振动能量主要分布在2.335 Hz。依据VDI-3834对振动特性分析结果进行评估,分析发现,塔筒振动速率及发电机振动幅值均小于警告阀值,验证了伞形风力发电机结构安全性。

伞形风力机调节机构关键零部件可靠性分析

针对新型伞形风力发电机,采用数值模拟与试验研究相结合的方法,研究收缩角对调节机构关键零部件应力的影响。分析结果表明:在伞形风轮收缩过程中,叶根应力主要由叶片离心力弯矩作用产生,45°收缩角下叶根应力值达到最大值;随着收缩角增大,叶片支架应力集中区域存在迁移性,最大应力值主要由作用于叶片支架臂上的弯矩产生,而连杆主要受到交变载荷产生的正应力,二者均在45°收缩角下达到最大值;当收缩角增至60°,由于叶片离心力下降,叶根、叶片支架臂及连杆臂应力均出现下降趋势。基于上述结果对调节机构零部件进行强度校核及载荷试验。通过模拟和试验对比分析验证了伞形风力机调节机构设计的合理性和运行的可靠性。

伞形风力机输出特性研究

为适应分布式微电网对风电机组的输出功率可调的需求,提出一种具有输出功率主动控制功能的伞形风力机。以5kW伞形风力机为研究对象,针对其在超额定风速条件下的不同收缩角工况,进行气动特性及流场特性方面的数值模拟,得出:在来流风速超过额定风速的情况下,伞形风力机通过增大收缩角可有效控制输出功率增大;来流风速为18 m/s,收缩角为60°时,输出功率为额定功率的39.2%;收缩角增大使叶片前后表面压差减小,发生流动分离位置逐渐向叶片前缘移动;受中心涡影响叶根部速度亏损情况大于叶尖部位,增大收缩角不利于尾流速度恢复,收缩角为60°时,在风轮后11D(D为风轮直径)处尾流仅恢复至来流风速的89.4%。最终通过风洞试验测试不同收缩角工况的伞形风力机的输出功率变化情况,试验结果验证了数值研究结论的准确性。

伞形风力机尾流特性及输出特性研究

为适应分布式风力发电机的恶劣应用环境,同时满足功率调控以及风机自我保护的需求,提出了一种新型伞形风力机。为研究伞形风力机风轮收缩角对尾流特性和输出特性的影响,分别进行了数值模拟和风洞试验。研究结果表明:伞形风力机风轮收缩角增大后,扫掠面积减小,尾流直径减小,尾流轴向影响范围增大,速度恢复减缓,同时会导致叶尖涡强度减小,中心涡强度先增大后减小,但是中心涡强度一直大于叶尖涡强度,所以叶根后的速度亏损要一直大于叶尖后的速度亏损。此外,风洞试验也验证了风轮收缩角对功率控制的有效性。