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。

叶片电解加工三头柔性进给方向优化设计

以某型发动机叶片为研究对象,设计了新的三头柔性进给的电解加工方式,对毛坯装夹角度和阴极进给方向进行优化选择,提出了叶盆、叶背采用不同进给角度进行加工的方式来提高叶片的加工精度,以实现全方位叶片电解加工。进行了叶片电解加工实验,结果表明该进给方式可兼顾叶身和缘板的精度要求,实现叶片的全方位电解加工。

基于多学科的风力机叶片形状优化设计研究

以风力机空气动力特性、叶片结构动力学以及风力机功率特性等学科为基础,探讨了各学科在叶片设计过程中的关系;以风轮单位输出能量成本作为目标函数,提出了风力机叶片的多学科优化设计模型。在保持叶片长度和风轮转速不变的情况下,以叶片的弦长、扭角以及相对厚度为设计变量,对某5 MW风力机叶片进行了优化设计,使得风轮的单位输出能量成本降低了2.6%。比较分析了优化叶片和原始叶片的载荷分布以及优化风轮和原始风轮的功率特性,很好的验证了优化结果。

风力机叶片气动外形与主机运行特性耦合优化设计

在叶片的优化设计中,叶片的气动外形与风力机主机的稳态运行特性存在耦合设计关系,一方面叶片的外形形状决定主机的稳态运行特性;另一方面对不同外形形状的风力机叶片应设计与之相匹配的风轮转速、叶片桨矩角等主机稳态控制策略,进而才能准确的计算和提高叶片在低风速条件下的气动性能。基于高阶贝塞尔曲线和粒子群算法构建了叶片气动外形的优化设计模型,在最大叶根弯矩和风轮推力的约束条件下,以年发电量最大为目标对某1.5MW叶片进行了优化设计。结果表明,提出的优化设计方法可实现风力机叶片气动外形和稳态运行特性的一体化优化设计,提高了风力机在低于额定风速下的气动性能,研究方法可运用于低风速超低风速风力机叶片的设计中。

兆瓦级风力机叶片外形设计及其三维建模

针对兆瓦级大型风力发电机叶片最佳设计攻角和升力系数沿叶片展向呈非线性分布的情况,对传统Willson设计方法进行修正,优化设计叶片的气动外形。并结合优化得出的叶片几何外形参数,运用点的坐标转换理论来计算叶片各截面翼型的空间实际坐标。利用CATIA软件完成叶片的三维建模。

精铸涡轮叶片浇冒口形状优化技术研究

基于大型铸造仿真软件ProCAST和UG软件平台,采用形状优化技术,通过对涡轮叶片原浇冒口工艺参数优化,实现了涡轮叶片浇冒口形状及工艺参数的自动化设计。结果表明:该技术有效提高了浇冒口工艺设计精度,缩短设计周期,提高了叶片质量,为实际生产提供了量化参考依据。

涡轮叶片吸力面扇形孔气膜冷却效率优化

为了提高气膜冷却效率,采用三维雷诺时均(RANS)和代理优化模型,对涡轮叶片吸力面特定位置的扇形气膜孔结构进行优化;将孔间距与直径比(P/d)和孔厚径比(t/d)分别固定为4.5和2.5,仅将扇形孔的倾角α、侧向扩展角β和前向扩展角γ作为设计变量;选取气膜孔下游流向距离s与气膜孔直径d的比值s/d=12区域内的面积平均气膜绝热冷却效率作为目标函数,通过径向基神经网络(RBFNN)构建代理模型,并采用遗传算法搜索最优设计点,从而获得吹风比M=1.5时的扇形气膜孔优化结构,并结合流场计算结果,对优化前后的扇形孔气膜冷却性能进行分析。研究结果表明:较大的气膜孔倾角和侧向扩展角以及较小的前向扩展角有利于改善气膜冷却性能;与基准参考扇形孔相比,优化结构面积平均绝热气膜冷却效率提高18%。

基于柔顺机构的风力机叶片变弯度前缘结构设计

为实现风力发电机叶片的自适应变形及结构轻量化,叶片前缘采用柔顺机构设计。以实际位移与目标位移差值及最大应力为约束,以材料用量最小为目标,采用变密度法对柔顺机构进行拓扑优化设计。以双程形状记忆合金丝作为驱动器驱动前缘柔顺机构自适应变形。研究结果验证了柔顺机构及拓扑优化结果的可靠性,为大型风力发电机叶片柔顺机构的设计提供了借鉴;同时也验证了双程形状记忆合金丝作为智能驱动器具有工程发展应用的前景。

风电叶片气动结构耦合设计及其程序开发

随着陆上风电和海上风电的叶片越来越趋向于大型化,减小叶片载荷和质量,提高叶片气动性能成为十分重要的设计内容。叶片越长,叶片变形对叶片性能的影响也越大,因此采用叶尖挥舞方向变形对叶片性能进行评估,基于叶素-动量理论,实现气动与结构的耦合设计,缩短叶片设计周期。以5.8 MW、85 m叶片为例,叶片挥舞方向变形为14.5 m,符合设计要求。

水平轴风力机叶片最优体型设计

从降低风力机成本及提高风力机运行可靠性的角度,建立以最小的叶片质量获得最大的年发电量两个目标函数,以叶片体型参数及运行参数等关键参数为设计变量,以叶片的强度为主要约束条件的多目标优化设计数学模型,采用Pareto遗传算法对某1.5MW风力机叶片进行最优体型设计研究。与原设计叶片相比,最优体型设计方案提高了风力机的年发电量、减轻了叶片质量,说明优化设计模型合理有效。