风轮固有频率随材质参数变化的规律研究

风轮的固有频率是风电叶片结构安全性设计中的关键参数。然而由于叶片典型的非线性结构特征,导致材质参数对风轮固有频率影响规律的诠释至今仍不够完备。基于这一背景,该文以小型水平轴风电叶片为研究对象,采用数值计算为主、实验测试为佐证的研究方法,深入探究叶片的固有振动频率随密度、弹性模量和泊松比变化的响应规律。研究发现:风轮1、3阶振型和2阶对称振型的固有频率值随着密度的变化呈现十分明显的二次方曲线规律,2阶反对称振型则呈比较理想的线性规律;风轮1阶、2阶振型固有频率值随弹性模量的变化亦呈十分明显的二次方曲线规律,3阶振型固有频率变化则表现出十分明显的线性特征。相关研究成果对于叶片结构性能的设计与优化具有较有益的参与价值。

基于高频PIV的风力机叶尖涡初始涡量值演变规律研究

基于风向变化对于叶尖涡初始涡量值影响的敏感性至今仍不清楚,及偏航工况下其随来流风速和叶片转速变化的演变规律仍未被掌握的研究背景,以直径为1.4 m的小型水平轴风力机叶片为研究对象,利用高频PIV针对性地监测不同工况条件下叶尖涡的初始涡量值,细致分析叶尖涡初始涡量值随风向、风速和叶片转速变化的演变规律。研究发现:当偏航角为0°和20°时,叶尖涡初始涡量值随叶尖速比的增大近似呈线性规律,而当偏航角介于上述区间时,变化趋势会呈明显下凹的二次曲线形式。相关理论成果的揭示对于叶片气动载荷变化机理的深入诠释以及其气动性能优化方案的掌握具有较有益的参考价值。

阵风入流下翼型凹变对风力机气动噪声影响研究

基于自然风非稳定性的特点,依据风力机各项参数拟合出阵风函数,对某S翼型水平轴风力机进行三维非稳态数值计算和试验,研究阵风入流和稳定入流下翼型凹变对尾迹辐射声频谱、声辐射传播和尾迹涡量耗散的影响。结果表明:翼型凹变可有效降低尾迹气动噪声,其基频及倍频声压级明显低于原始叶片;随着轴向距离增加,翼型凹变叶片降噪效果逐渐增大,在轴向500 mm处声压级最大降低3.6 dB,且阵风入流下翼型凹变降噪效果大于稳定入流。同时,翼型凹变叶片尾迹涡量明显降低,验证了翼型凹变降噪的有效性。

动态入流下风力机近尾迹气动噪声研究

基于自然风非定常性,结合某S翼型水平轴风力机实际运行条件拟合出3种动态入流函数,建立不同入流下的非稳态计算模型,研究动态入流对尾迹气动噪声和叶片压力脉动的影响。结果表明:各动态入流下各倍频声压级均高于恒定入流,大小规律表现为:扰动入流>渐变入流>阵风入流>恒定入流;动态入流对声压级的敏感性随倍频阶数增大而增强;沿轴向动态入流与恒定入流声压级差值逐渐增大;阵风入流、渐变入流和扰动入流的压力脉动峰值依次增大,这也是声压级产生相同大小规律的原因。通过分析入流情况对叶片声场分布和变化规律影响研究,对未来大型叶片噪声评估和降噪设计提供一定的理论和参考依据。

基于等效刚度法优化的风力机叶片刚度计算

风力机叶片刚度由于非线性且截面变化程度大的特点,针对叶片建模初期刚度的评估问题通常采用刚度展项分布图体现叶片刚度,存在评估叶片刚度的参考参数不够直接、宏观的问题。基于变刚度梁挠度计算的等效刚度法,将叶片等效成变截面悬臂梁,根据叶片特征合理选取边界条件,以叶片建模的截面数据特点为基础,优化原始等效刚度法的计算方式,使该方法更加贴合叶片模型,从而适用于叶片,达到方法优化的目的。利用ANSYS有限元软件进行叶片的预应力模拟实验,得出叶片的挠度模拟数值,以该模拟计算的挠度值为参考,验证优化后方法的有效性。结果表明:优化后的等效刚度法得到的刚度值,在低均布载荷值22.5 Pa下理论计算的挠度值与试验挠度值的误差达到9.68%,减小原始方法计算的误差贴近叶片模型,可用于叶片刚度估算,为叶片的刚度计算提供新方法。

基于塔筒添加螺旋线的风力机降噪性能优化研究

为降低风力机对周围居民的噪声污染,提出一种用于分布式风力机的塔架表面缠绕螺旋线的降噪方案。以S2030翼型风力机为计算模型,以螺旋线高度、螺距、螺头数、覆盖范围及旋向为因素,近尾迹辐射噪声总声压级为评价指标进行正交试验,在额定工况下利用ANSYS Fluent数值模拟平台LES/FWH方法进行数值计算。结果表明:螺旋线高度h为5.5 mm、螺距P/d为0.5、螺头数N为4、覆盖面积为全部、旋向为逆时针时为最优组合。各因素对总声压级影响的程度由大到小为螺距>高度>覆盖范围>螺头数>旋向。塔架缠绕螺旋线能有效降低200~2000 Hz中高频噪声声压级。降噪效果随轴向距离的增大而增大,最高可降低总声压级13.19 dB(A)。

翼型凹变随风向变化对风机低阶振频及动态应变的影响研究

针对风力驱动机械装置的叶片失速问题,文章通过将翼型向内侧凹变的被动控制方式应用到某小型水平轴风力机叶片吸力面,发现在80%弦长处实施长度为350 mm凹变形式的叶片,可在风机旋转轴心与来流风向偏差30°范围内对风轮做功能力有一定提升作用。在此基础上,在来流方向发生偏斜的情况下,文章对低频下易触发的圆盘振动和轴向窜动的结构动态响应两种振动形式的振频和动态应变的变化特征进行了细致分析。

M形叶尖小翼对叶片输出功率和振动频率的影响

提出一种M形叶尖小翼,以SD2030翼型叶片为模型,首先在叶片输出功率改良方面证实小翼几何结构设计的成功。在此基础上,通过实验测试探究小翼对叶片输出功率和振动频率影响的敏感性和规律性。研究揭示:不同工况下,小翼对叶片做功能力均具有较好的增益效果,且随来流风速和叶片转速的增大,增益效果增强;小翼具有调节叶片最大输出功率值及其出现所对应工况的能力;小翼对叶片1、2阶反对称振型固有振动频率值的减小程度明显高于同阶对称振型固有振动频率值的降低;同时,小翼具有调节叶片穿越共振带的能力,这对于叶片最佳转速和避免共振的设计与性能改良具有重要的实用意义。