考虑叶片桨距角和干扰效应的大型风力机体系风致效应研究

以某5 MW大型风力机为对象,首先基于大涡模拟(LES)技术进行考虑不同叶片桨距角影响的大型风力机体系非定常流场和气动力模拟,并与规范及实测结果进行对比,验证大涡模拟的有效性。在此基础上,结合有限元方法系统分析不同叶片桨距角下风力机塔架-叶片耦合体系的动力特性、风振响应、屈曲稳定性能和极限承载能力。研究表明:0°叶片桨距角下塔架显著干扰区段迎风面0°处出现负压,叶片顺风向位移响应极值最大值为3.98 m。随着叶片桨距角的增大,塔顶径向位移、各叶片顺风向位移和叶根剪力的均值和均方差均呈逐渐减小的趋势,且叶片桨距角在30°~50°范围内出现显著变化。叶片桨距角为0°时风力机体系风致响应最为不利,当叶片桨距角为90°时,体系屈曲性能和极限承载力最为不利。

考虑变桨效应大型风力机塔架-叶片体系气动性能精细化分析

以某5 MW风力机为研究对象,基于大涡模拟方法,考虑不同叶片桨距角大型风力机体系表面流场信息和气动力分布模式进行模拟,并与规范及实测结果进行对比验证大涡模拟的有效性。在此基础上,对比分析不同叶片桨距角下风力机塔架及叶片表面平均和脉动风压、升力与阻力系数、绕流及尾流特性的分布模式,总结叶片桨距角和干扰对风力机体系气动性能的影响规律。研究表明:随着叶片桨距角的增大,叶片迎风面正压分布区域逐渐减小,塔架显著干扰区段迎风面0°和侧风面90°处的平均风压、极值风压逐渐增大,而脉动风压逐渐减小,层升力系数减小,阻力系数增大。塔架未干扰区段平均风压、脉动风压、极值风压和层阻力系数均未呈现明显变化,在桨距角较大(70°~90°)时,叶片尾迹对塔架绕流影响逐渐减弱,塔架气动力分布与未受叶片变桨和干扰时较为接近。综合分析表明,叶片桨距角为0°时,叶片和塔架之间的相互干涉作用最为明显,风力机体系气动性能最为不利。

湍流强度对风机叶片风效应影响的试验研究

湍流强度是影响风电机组疲劳载荷和极限载荷的重要因素之一,湍流本身是一个复杂的过程,难以用简单明确的方程表示或者预测,研究湍流显得更为重要。以某2MW大型风力机叶片为研究对象,首先基于风洞试验进行了在特定桨距角条件下考虑不同湍流强度对风机叶片表面气动分布的影响。在此基础上,结合有限元方法分析了在逆桨条件下叶片的动力特性与风振响应。研究表明:在0°桨距角时,下翼面平均风压系数基本不受湍流的影响,上翼面随着湍流的增大整体平均风压系数绝对值减小;脉动风压系数整体随湍流强度的增大呈现增大趋势。在90°桨距角时前缘部分为正压,随着湍流强度的增大平均风压系数逐渐减小;上、下翼面基本保持负压,随着湍流强度的增大平均风压系数绝对值逐渐减小。在0~90°桨距角中,随着桨距角的增大叶片的整体荷载显著降低。随着湍流强度的增大,顺风向位移均方差和位移极值均呈现逐渐增大的趋势。