兆瓦级风力机叶片的改进型BEM理论研究

近年来在风力机大型化的趋势下,为提高大型风力机叶片性能,研究推导了改进型BEM法,并验证其在兆瓦级风力机叶片设计领域的可行性。基于经典动量理论,引入叶根及叶尖损失因子的Prandtl修正和Glauert修正,在修正推力及转矩表达式的基础上,结合R.Lanzafame等基于BEM理论和角动量理论推导出的推力及转矩表达式,进而推导出轴向诱导因子及切向诱导因子函数表达式,再对轴向诱导因子进行Spera修正和必要简化;同时,结合兆瓦级风力机叶片设计特点及载荷特征,给出了大型风力机叶片翼型的选择原则,为设计叶片提供了参考依据。以1.5 MW风力机叶片为实例研究,对比研究了改进型BEM法及经典Glauert法在兆瓦级风力机叶片设计领域的应用特点,验证了改进型BEM法在兆瓦级风力机叶片设计领域的正确性,为风力机叶片理论的进一步发展奠定了基础。根据叶片设计结果,探讨了叶片特征参数沿翼展方向的分布规律,为深入研究兆瓦级风力机叶片特征机理奠定基础。

应用BEM理论与嵌套网格技术的风力机性能预测对比研究

分别采用BEM理论和基于嵌套网格技术的CFD方法,以两叶片NREL Phase VI风力机为研究对象,对不同风速下的风力机性能预测进行研究。将两种方法得到的预测结果与实验结果进行对比。结果显示,BEM方法在全风速范围内与实验值吻合良好,嵌套网格技术方法在低风速区能准确地对风力机性能进行预测,并能显示出叶片绕流流场的流动细节,但在高风速区对风力机的性能预测有较大偏差。

基于叶素动量理论的潮流能发电机组叶片设计方法

近年来,海洋能因其分布范围广、储量大及能量密度高而被认为是最具开发潜力的可再生能源。与其他海洋能源相比,潮流能具有着很强的规律性和可预见性;从发电技术层面及能量转化层面综合考虑,海洋潮流能发电是最易实现的海洋能发电技术。潮流能机组的叶片的水动力外形的设计的优劣直接影响能量转换的效率,叶片水动力设计是提高能量转换利用效率最现实有效的办法,本文提出的一种基于叶素动量理论(BEM)的潮流能发电机组的叶片设计方法,并基于BEM设计方法对潮流能叶片水动力外形进行设计,以供相关研发人员参考。

水平轴风力机稳定偏航气动性能计算

采用涡流柱理论替代动量叶素理论(Blade Element Momentum,BEM)中的动量理论建立了风力机处于稳定偏航时的气动性能计算模型,考虑了叶根旋涡和偏航引起的流动膨胀对诱导速度的贡献。计算结果与文献实验数据的比较表明:轴流来流状态时能较好的预测平均诱导速度因子,攻角的误差是由普朗特(Prandtl)叶尖/轮毂损失模型的不足引起;偏航工况时,在叶片中部攻角预测较为准确,但将叶根旋涡简化为半无限长涡丝以及忽略桨盘上环量沿展向和周向的变化会使得叶根和叶尖处的攻角计算误差较大。

水平轴海流能发电机组水动力载荷模拟方法的比较研究

以所研发的25 k W水平轴海流能发电机组为对象,分别通过基于叶素动量(BEM)理论的GH-Bladed软件分析方法和基于有限元建模(FEM)理论的计算流体力学(CFD)数值模拟分析方法,对水平海流发电机组的水动力学性能进行理论分析及软件建模,并对两种分析方法的结果进行对比讨论。分析结果表明,海流流速在机组额定流速附近时,两种方法得到的机组能量捕获效率和推力系数均较接近。当海流流速较高于机组额定流速时,两种方法得到的结果出现明显差异,差异的原因在于CFD方法考虑了海流沿叶轮半径方向的径向流动,而BEM方法未考虑此因素。两种方法的比较研究为水平轴海流能发电机组水动力载荷的后续试验研究提供了理论依据。

基于三维翼型数据的风力机气动性能分析

将风力机转子时间步进自由尾迹分析模型用于风力机空气动力学分析,得到每个桨叶微段上的三维翼型升阻力数据;然后将所得的三维升阻系数与BEM理论结合起来,计算风力机转子的气动性能,以计入三维旋转效应的影响。将计算结果与实验数据进行比较,验证了该方法的有效性,为后续进一步研究失速延迟、提高风力机转子气动性能预测的准确性提供理论支撑。

冰载对风力机性能影响的研究

以冰载条件下的风力机为研究对象,通过数值模拟的方法,分析了冰载对风力机叶片翼型、功率及年发电量的影响。在Matlab中,基于BEM-GDW综合理论开发了计算冰载影响因素的风力机气动性能、功率及年发电量的程序,并以某2MW变速变桨型风力机为例进行性能仿真,将所得功率曲线与GH Bladed软件的结果进行比较分析,验证了该数值模拟方法的正确性和实用性。同时证明冰载对风力机有较大影响(它使得翼型的升力降低、阻力增加),同时证明了冰载造成风力机的翼型升力降低、阻力增加的影响,由于风轮空气动力学的改变使得其捕捉风能的能力减小,最终导致年发电量的巨大损失。

水平轴潮流能叶轮设计与水动力特性分析

潮流能是海洋可再生能源的重要组成部分,为提高潮流能利用效率,本文基于叶素-动量理论(BEM)方法,给出Glauert涡流设计理论在水平轴潮流能叶轮设计上的应用。采用BEM理论和CFD数值模拟方法对设计的潮流能叶轮进行水动力性能分析,计算其在不同叶尖速比下的功率特性,2种方法的结果表现了较好的一致性。在此基础上,基于BEM理论,进一步分析叶片表面的载荷分布情况,选取叶片沿展长方向的3个不同位置,分析翼段的流体动力特性随速比的变化规律。计算结果表明,潮流能叶轮工作特性满足对功率和效率的要求,说明了设计方法的可靠性。本文的研究成果为今后水平轴潮流能叶轮设计及水动力性能预报提供有价值的参考。

风力发电机叶片数值模拟综述

CFD技术是目前风力机领域的研究热点,在风力机叶片设计中也获得越来越广泛的应用。本文介绍了风力机叶片的BEM理论、风洞实验、外场实验以及CFD数值模拟等四种研究方法,总结了CFD技术在风力机叶片设计中的应用,重点阐述了CFD数值模拟过程及相应软件的使用经验,以期对风电设计人员有所帮助。

风力发电机叶片的气动弹性及颤振研究综述

随着风力发电产业的发展以及风力发电机的大型化,风力发电机气动弹性不稳定的问题对风力发电设备的设计和影响越来越大。该文总结了解决风力发电机叶片气动弹性稳定性问题常用的三种方法:BEM方法、动态失速模型和CFD方法;随后通过对风力发电机叶片颤振破坏机理进行分析,概述了风力机叶片颤振抑制的研究方法及研究现状。

新概念兆瓦级风热机组性能预测与分析研究

风能热利用是一种可以替代燃煤锅炉供暖的变革性洁净能源技术,是解决北方地区冬季雾霾问题的有效途径之一.风能热利用一方面可以解决燃煤供暖所带来的环境污染问题,另一方面还可以解决风能消纳问题.基于"温度对口、梯级利用"的科学用能原则,提出了"风热机组"首创概念,以MATLAB/Simulink仿真平台为基础,结合BEM理论和热泵循环模型,构建了风热机组仿真模型.搭建了风热机组性能测试实验平台,验证了仿真模型的可靠性.在此基础上,通过研究不同风况对兆瓦级风热机组的影响,获得了兆瓦级风热机组性能曲线和典型工况下的运行规律.研究结果可为拓展风能利用新方向,满足国家清洁供暖的重大需求提供新的技术方案和理论依据.