仿鸮翼型风力机叶片气动弹性变形分析

为抑制风力机叶片的气动弹性变形,提出一种用于大型风力机的仿鸮类翼型改型设计方案.通过单向流固耦合方法分析了仿生翼型对叶片气动弹性变形的影响,并通过模态分析和共振响应阐述了仿生翼型抑制叶片气动弹性变形的机理.结果发现:与模型叶片相比,仿生翼型叶片气动弹性变形量降低了11.05%.仿生翼型使叶片压力面应力分布趋势发生改变,使叶片压力面的最大应力值由叶中转移至前缘.仿生翼型使叶片上下表面的压力差提高,且吸力面的压力值约为原来的2倍,使叶片提高了在挥舞方向的抗变形能力.同时,叶片的气动性能有所提高.仿生翼型使叶片的一阶至六阶固有频率升高;仿生翼型使叶片在挥舞方向上的共振变形量减小了89.23%,叶片的共振速度和加速度幅值也降低了.故仿生翼型能够有效抑制叶片的气动弹性变形,其设计方法及结论可为抑制大型风力机叶片的气动弹性变形研究提供一种新思路.

基于鸮翼特征提升风力机叶片气动性能的研究

为了提高风能利用率,研发气动性能优异的叶片,以模仿鸮翼生物特征来提升大型风力机叶片的气动性能。选择以NREL 5MW风力机的叶片作为研究对象,基于生物翼型和传统翼型构建了组合翼型,并将其与鸮翼的非光滑前缘结构耦合,设计了具有这两种特征的仿生耦合叶片。根据相似理论,建立原型叶片和仿生耦合叶片的缩比模型,并通过数值计算方法探究仿生耦合叶片在不同风速下的气动性能。数值计算结果表明,相比原型叶片,在额定风速11.4m/s时,仿生耦合叶片的风能利用率提高了6.76%,当风速达到15m/s时,仿生耦合叶片的扭矩提高9.89%。在叶尖区域,仿生耦合叶片吸力面流速明显增强,增大了吸力面负压区域面积,进而增大了叶片表面压差。同时,仿生耦合叶片能够有效抑制展向流动,减小尾缘分离涡,增强弦向流动,降低湍动能强度,减小了能量的损耗。

小型风力机翼羽仿生耦合桨叶结构研究

针对小型风力发电机叶片径向气流利用率低的问题,采用仿生耦合技术,对长耳鸮翼羽结构加以研究。利用3D Scanner激光扫描仪系统逆向重构了鸮的翼羽结构,建立了仿生耦合桨叶结构模型,通过对NACA 0015基准翼型和仿生翼型进行对比计算,发现仿生翼型的升力随着节距与弦长比值s/c的减小而增加,当仿生耦合翼型节距与弦长比值s/c=0.33时,失速攻角达到16°,最大升力系数约为1.26,比基准翼型高13.5%。

100W风力机叶片仿生设计与试验研究

通过数值模拟,分析家燕翼型气动性能;采用家燕翼型,改进100 W水平轴风力机叶片;进行仿家燕翼型叶片气动性能分析;搭建小型水平轴风力机测试平台,完成仿家燕翼型风力机与标准风力机效率对比试验。结果表明:家燕翼型气动特性优良,最大升力系数是标准翼型的1.78倍,最大升阻比是标准翼型的1.77倍;仿家燕翼型叶片输出功率高于标准叶片,平均提高26.48%。

复合新翼型风力机叶片的气动设计及建模

基于Wilson法,用美国可再生能源实验室开发的S系列新翼型S833、S834、S835和三者的组合翼型来设计叶片,不同翼型连接处采用MATLAB程序语言的样条差值和曲线拟合法进行过渡修正,以满足气动连续性要求。在叶片设计基础上,分别计算了单翼型和复合翼型叶片的气动性能;利用有限元分析软件ANSYS建立了风轮的三维实体模型。结果表明:复合翼型叶片在较宽尖速比范围内比其它几种单翼型叶片的功率系数大,利用ANSYS软件建立的风轮实体三维模型,为风轮的结构动态及载荷等问题的进一步分析提供了技术基础。

小型水平轴风力机叶片仿生设计

为了提高风力机叶片性能,基于家燕翅膀翼型良好的气动特性进行了风力机叶片的仿生设计。采用计算流体动力学,对仿家燕翼型和标准叶片翼型的性能进行模拟和对比,结果表明,仿家燕翼型具有较高升力系数和升阻比。基于家燕翼型进行100 W风力机叶片的仿生设计,并对标准100 W风力机叶片和仿生设计叶片进行数值模拟和风力机效率实验。结果表明:相比于标准叶片,仿家燕风力机叶片展向位置翼型上下表面压力差有较大提高,能有效提高风力机叶片效率,效率比标准叶片提高25%以上。

风力机叶片翼段气弹变形对翼型气动特性影响分析

当前弹性变形对风力机性能的影响是叶片气弹耦合机理研究重点,忽略了气弹变形对翼型气动特性的影响,而风力机性能很大程度上取决于变形后翼型气动性能。基于叶素动量理论及有限元法,采用MATLAB与APDL语言编制气动载荷插值程序,建立复合材料风力机叶片翼段气弹耦合模型。针对某2 MW实际叶片变形较大的叶尖附近翼段,选取厚度相同的3种不同翼型,通过不断迭代收敛研究翼段气弹变形对翼型气动特性的影响。研究表明,3种翼型气弹变形对其气动性能均有不同程度影响,而对WT180翼型影响较小。该研究对于设计抗气弹变形的新型翼型具有重要的理论指导作用。

基于流固耦合法的垂直轴风力机叶片翼型气动性能分析

为了使风力发电机组具有较稳定的工作性能,提高其风力机叶片翼型的使用寿命,对叶片翼型进行了强度分析。以NACA0015(对称翼型)叶片翼型为研究对象,对其建立了三维模型,设定了旋转域及相关边界条件,采用流固耦合方法,利用ANSYS-CFX软件对垂直轴风力机叶片翼型进行了气动性能分析。结果表明,在常温常压且风速10 m/s,转速80 r/min的工况下,位于叶片后缘处变形最大为3.961×10-4mm,不同位置变形量与厚度呈线性关系,适当增大叶片翼型后缘厚度的方法,能够增强叶片翼型的强度,使其具有很好的抗变形能力。因此,增加叶片翼型厚度可减小叶片翼型变形量,提高叶片翼型的使用寿命。

风力机叶片气动增效发展综述

作为替代化石能源的一种新能源,风能发电因其占地面积小、发电成本低、环境友好等优点得到广泛的关注与应用。作为风能转化媒介,风力机叶片的效率决定了风能转化为电能的效率。文中简述风力机专用翼型、弦长扭角确定方法及叶片增效装置方面的成果,简述部分增效方法的理论基础及工作原理。

小型水平轴风力机叶片气动性能优化

小型水平轴风力机叶片气动性能决定着发电机自身的运行寿命与工作效率.风力机叶片翼型的气动性能决定了风力发电机组的功率及载荷特性.为了提高风力机叶片气动性能和减小启动时间,以小型水平轴风力机为例,对比分析翼型对其气动性能的影响,并结合微型多目标遗传算法对弦长、半径和扭角等叶素结构参数进行优化,能高效率地解决功率系数和启动时间等优化问题.

仿生翅片翼动态平衡及气动性能研究

为提高风力机气动性能,基于仿生学,以鸟类的覆羽为仿生对象,提出一种风力机仿生翼型。以NACA0018为例,在吸力面处布置仿生翅片翼,针对翅片翼动态平衡时的特性进行分析,并研究其对翼型气动性能的影响,揭示流动控制机理。结果表明:翅片翼处于气动平衡角度时,其最大升力系数增大约5.69%,且当攻角16°时增大约16.02%,效果最明显;翅片翼处于最佳控制角度时升力系数最大值增大约12.76%,16°攻角时升力系数增大约23.79%;最佳控制角度时翅片翼导致上游的翼型表面压力降低,下游压力相对增加,压力面呈整体略微降低的现象;根据翅片翼气动力矩系数随抬起角度的变化关系以及翅片翼处于最佳控制效果点时的气动力矩系数,提出在翅片翼铰点添加相应外力矩的方法,以平衡翅片翼在最佳控制点处的气动力矩,使翼型在气动力矩平衡时处于最佳状态。