应用直升机动力学设计方法分析大型风力发电机组动力学特性

本文提出了应用直升机动力学设计技术对风轮叶片和塔架分别建模，应用模态综合技术分析风轮／塔架耦合系统动力学特性的方法，分析了孤立风轮叶片，塔架系统的振动特性与风轮／塔架耦合系统振动特性之间的变化，指出了在风轮叶片和塔架系统振动特性设计中应考虑的一些因素。     

离心压气机自循环机匣处理扩稳机理分析

自循环机匣处理能大幅提高离心压气机的稳定工作裕度,其回流的抽吸和二次注入具有明显的宏观流动特征。将主流按与二次注入流是否发生掺混分为掺混主流和无掺混主流两股流体,并将离心叶轮按导风轮和工作轮两个压缩部件对自循环机匣处理的作用机理分别进行了分析。数值模拟结果表明:回流流量、回流二次注入的预旋角以及二次注入流占用主流道流通面积的大小是自循环机匣处理扩稳的3个重要因素;二次注入流通过直接掺混和挤占流道使主流收缩加速两种方式减小了导风轮的进气攻角;机匣处理同时加大了导风轮和工作轮尖部的流通能力,抑制了导风轮的叶尖分离,改变了导风轮展向的载荷分布,在减小导风轮尖部载荷的同时提高了工作轮叶尖的做功能力,从而延缓了流动失稳的发生。     

水平轴风力机偏航与俯仰尾流特性

风力机的尾流干扰效应是影响风场下游风力机性能和风场出力的主要因素，通过调整风轮姿态可有效改善尾流干扰效应，但同时也引入了更为复杂的非定常气动特性和尾流场分布。为了研究风轮姿态控制的尾流特性，基于升力线和自由涡尾迹模型建立了水平轴风力机气动和尾流仿真模型，以NREL 5MW风力机为研究对象，在额定风速条件下，研究了叶轮偏航和俯仰工况下的尾流结构特性。在此基础上，对存在风切变和塔架影响时的风力机偏航和俯仰工况产生的尾流干扰进行了分析。研究结果表明：风轮的偏航和俯仰会引起尾流涡结构失稳提前、远尾流区湍流度增大，同时会导致尾流中心发生偏转和尾流作用区域减小，并加快速度亏损恢复，降低尾流效应对下游的干扰。风切变会产生类似风力机俯仰的效果，使得尾流抬升，作用区域减小。塔架对近尾流区的干扰较为显著，而俯仰控制会降低塔架对尾流的干扰。     

基于IEC 61400121: 2017的风轮等效风速研究

2017版风电机组功率特性测试标准与2005版功率测试标准的一大改变在于风速的定义,前者规定应基于风轮等效风速评估风机的功率特性。分析了新版标准中的风轮等效风速的定义,提出了计算叶尖低处区域面积和叶尖高处区域面积的简化算法,验证了两种风轮等效风速计算方法的有效性和可行性。     

导风轮叶片偏置对高压比串列离心压气机性能的影响

为提升高压比串列离心压气机的性能,借鉴常规一体化离心叶轮中偏置分流叶片的方法,针对某高压比串列离心压气机,应用数值仿真手段分析了串列叶轮中导风轮叶片周向偏置对压气机流场和性能的影响。通过对不同导风轮叶片偏置方案下压气机流场的分析,建立了压气机流动损失与偏置参数的关联性。研究表明:采用较大的偏置参数γ可降低导风轮叶片1前缘的激波强度,改善激波作用导致的泄漏涡破碎和流动分离,但过大或过小的γ方案中导风轮叶顶会出现二次泄漏致使低能流体的掺混损失增加;γ=65%方案压气机综合性能最佳,其压比和效率较γ=50%分别提高了1.5%和1.4%;对于串列离心压气机导风轮叶片周向位置的优化,在避免导风轮叶顶形成较强二次泄漏的前提下,应考虑采用较大的偏置参数γ,同时应防止诱导轮尾迹流体参与导风轮的叶顶泄漏。     

10MW风电机组空气动力设计初探

从风电机组系统角度探索了我国未来设计10MW风电机组在空气动力设计方面的一些问题及对策。从分析风能分布与风速分布关系以及风电机组风能利用系数随风速变化关系出发,研究了风轮基本参数确定方法,并以动量叶素理论为基础,建立了优化设计模型对10MW叶片外形优化设计进行了初步探索,并对风轮性能进行了评估,完成了10MW机组叶片及风轮外形建模。提出了通过适当提高叶尖线速度及拓宽风轮转速范围,可以达到优化机组塔头质量,节约成本,提高年发电量等多重有利目标的观点。     

失速限制型风轮叶片流场的数值模拟

采用双时间步方法在旋转坐标系下求解非定常方程,构造了零偏航条件下风轮叶片流场的数值模拟方法,采用该方法对失速限制型风轮叶片NREL Phase-Ⅵ进行了模拟,其中网格采用重叠网格进行模拟,控制方程为可压缩N-S方程,同时加入了低速预处理技术,模拟的风速范围从13m/s到25m/s,这时候风轮叶片发生失速以限制扭矩输出.本文采用数值方法对风轮叶片在发生失速以后的主要流场特点进行了分析,从风轮扭矩、载荷分布等方面对数值计算结果进行了对比验证.     

水平轴风轮空气动力性能的分析计算

本文用半刚性尾流模型近似表示给出水平轴风轮空气动力性能的分析计算方法。在高尖速比范围内，本方法给出的结果比动量理论给出的更加接加接近实验数据。     

基于自由涡方法的风轮偏航气动特性研究

采用非线性升力线方法和时间精确自由涡方法,对风切变条件下风轮的偏航气动特性进行了非定常数值模拟。为了改善非线性升力线方法的计算收敛性,提出了基于Newton-Raphson方法的环量方程迭代算法。建立了一种包含粘性涡核并由自由涡面和叶尖涡线构成的改进尾迹模型,可以提高尾迹的计算精度和效率。以NREL Phase VI风力机和Tj?reborg风力机为算例,分别对均匀风和切变风条件下、风轮处于不同偏航角时的气动力进行计算,并与测量值进行了比较。分析了风切变和偏航风对风轮气动特性产生影响的主要因素及风轮气动特性的变化规律。结果表明:计算方法可以有效模拟风切变条件下风轮偏航气动特性;在风切变条件下,偏航会增加叶片扭矩的波动,当风轮处于正偏航角时,叶片挥舞力矩的波动减弱,处于负偏航角时,挥舞力矩波动增强。     

直升机技术在风机惯性载荷计算中的应用

本文根据直升机旋翼惯性载荷的计算方法，导出了风机风轮由于复合运动产生的叶片及轮毂中心惯性载荷的理论计算公式，并以1．3MW风机为例进行了计算，揭示了哥氏惯性力和陀螺力矩对风机载荷产生的影响。     

周向布局对高压比串列离心压气机性能的影响

为揭示周向布局对高压比串列离心压气机性能的影响机制,采用经试验数据确认的数值方法,对串列叶轮在典型周向布局下的性能及流场结构进行了分析。研究表明:周向布局对串列叶轮流动的影响主要体现在后排叶轮的叶顶区域,75%周向位置时压气机级性能最优,25%周向位置时最差;串列叶轮改善离心压气机流场的物理机制为诱导轮压力侧气流对导风轮吸力面附面层的吹除效应,以及导风轮吸力面侧流体对诱导轮尾迹的引射效应;高压比串列离心压气机周向布局的优化应遵循的原则是,在避免诱导轮尾迹与导风轮吸力面发生直接作用的前提下,应采用较大的周向偏置参数。     

15—1混炼胶和607—1胶液及其粘接工艺通过技术鉴定

六二一研究所和三七○厂共同完成的“15-1混炼胶和607-1胶液及其粘接工艺”,于一九八四年二月下旬通过部级技术鉴定。涡轴六发动机离心式压气机的离心叶轮组合,是由导风轮(2Cr13不锈钢)和叶轮(LD7铝合金)组成,在导风轮和叶轮叶片对接处粘接胶条。如果胶条脱落,将引起发动机振动,出现明显噪音,并影响发动机温度场的分布,T_4温度增高,进而影响自由涡轮和燃气涡轮的工作寿命。兄弟单位曾以F-7-6氟橡胶     

基于面元-黏性涡粒子混合法的风力机风轮气动计算

为了快速准确地预估大型风力机风轮的气动性能,建立了一种基于面元-黏性涡粒子混合(HPVP)法的风力机风轮气动性能计算方法,自主编制了相应的计算程序.以model experiments in controlled conditions(MEXICO)风轮为算例,将计算结果与实验数据、CFD方法进行了比较.结果表明:HPVP法可准确计算主要工作区的叶片压力分布.相比于CFD方法,在流动分离较小时,HPVP法可以快速获得与CFD方法精度相当的结果,但计算时间仅需要CFD方法的千分之一.除能够给出叶片压力分布外,HPVP法还能给出风力机风轮流场的其他流动细节.      

基于全自由尾涡模型的最佳环量分布风力机叶片气动优化方法

通过优化环量分布,开发了一种快速的风力机叶片气动优化设计方法.方法中引入了全自由尾涡模型,通过并行处理技术和快速多极子方法加速计算.采用傅里叶级数参数化叶片附着涡环量分布,大幅减少了优化变量数目.以风能利用系数为目标函数,以给定轴向力系数为约束条件,获得环量分布后反求得到叶片最优几何参数.最后通过优化美国可再生能源实验室（NREL）实验风轮进行方法验证,结果表明:在约束条件下,当尖速比分别为3.79和4.74时,优化使风轮的风能利用系数分别提升了32%和8%.在无约束条件下,针对不同叶片数和尖速比,分别对原NREL风轮进行全局优化,得到了风能利用系数均超过0.48以上的最优设计.      

掠型设计调控跨声速离心压气机内部流动机理

跨声速离心压气机面临进口激波控制的难题,探索前缘掠型对跨声离心压气机影响机理对于进一步提升离心压气机性能具有重要意义。以两台跨声速离心压气机为研究对象,利用经过校核的数值模拟手段探究了不同前缘掠型下压气机的性能及流场变化。结果表明:设计工况下叶轮入口的激波位置直接决定了前缘掠型设计的作用效果。掠型设计通过改变导风轮叶顶载荷分布,进而影响其通流能力,同时改变了其入口激波结构和流动损失。当叶轮入口叶顶激波呈吞入状态时,采用前缘后掠会减弱槽道激波强度,从而减小导风轮叶顶附近损失;当叶轮入口叶顶激波呈脱体状态时,采用前缘前掠会减弱前缘激波强度,使得激波更加附体,从而减小导风轮叶顶附近损失。      

考虑气动弹性的风力机叶片性能分析

考虑气动弹性对风力机叶片的影响,采用叶素-动量理论计算气动力,采用盒形梁理论计算结构变形,耦合静气动弹性平衡方程,建立了风力机叶片静气动弹性分析程序。本文运用该程序进行了多种风速下叶片载荷及风轮性能的计算,分析了气动弹性对原设计的影响。结果表明,对于兆瓦级风力机,在大风速情况下,气动弹性对风轮性能有着明显影响,并会造成气动载荷的重新分布,影响结构设计的准确性。该方法可用于对叶片气动设计与载荷计算方法进行气动弹性修正。     

增压器导风轮等温模锻工艺

本成果开发成功的增压器用铝合金叶轮、导风轮锻件等温模锻技术，也可用于铝合金、镁合金材料的其他复杂锻件。经数年生产实践考核，全套生产技术稳定可靠，锻件表面质量、形状尺寸精度、各项性能指标均满足瑞士BBC公司验收标准要求。超声探伤达美国军标A级。锻件流线符合BBC公司标准要求，晶粒细小，显微结构稳定。成形力只有普通模锻的1／6左右，可用较小设备生产较大的锻件，     

基于粒子群算法的大型风力机桨距调节计算

为了能够快速准确地对大型风力机的变桨矩进行设计,将粒子群算法应用于风力机风轮变桨距气动设计,并建立了设计计算的数学模型。以1.5MW的大型风力机为例进行了设计计算,结果表明本文提出的设计计算方法是具有一定的可行性和实用性。     

基于涡尾迹方法的风力机载荷与响应计算

采用涡尾迹方法计算准定常气动性能,结合Leishman-Beddoes动态失速模型计算叶片的非定常气动力。应用有限元分析软件,分析风力机在不同转速下的风轮模态,塔架的前后、左右振动模态。基于非定常气动力和结构振动模态,针对风力机风轮,建立其结构运动方程。求解出的叶片振动速度加入到非定常气动力的计算中,从而建立了考虑叶片振动的风力机载荷、响应计算模型。分析了Phase VI叶片和某1.5MW风力机各个叶片截面的气动力、振动位移和振动速度随时间的响应曲线,表明该方法能够较好地计算出风力机的气动性能、载荷和响应。     

“整体叶轮变载面叶型电加工工艺”通过部级技术鉴定

三七○厂完成的“整体叶轮变截面叶型电加工工艺”科研课题已通过部级技术鉴定.针对涡轴六机离心叶轮导风轮和整体涡轮盘叶型难加工的技术关键、课题组从一九七九